Este estudio se centra en el análisis sísmico comparativo de un edificio de oficinas de 4 niveles de estructura metálica, ubicado en Portoviejo, Ecuador, considerando dos sistemas estructurales distintos: Pórticos Especiales a Momento Arriostrados Concéntricamente (PEMAC) y Pórticos Intermedios a Momento con Sistema Diagrid (PIMD). En esta ciudad es común la construcción de edificaciones de cuatro niveles; además, debido a la demanda sísmica de la región, se requiere el uso de estructuras livianas que puedan responder de manera eficiente a las fuerzas sísmicas.

Para el análisis, se desarrollaron dos modelos estructurales en programa especializado, ambos representando un edificio de cuatro niveles con dimensiones en planta de 24 x 15 metros, una altura de 4.0 m en el primer nivel y entrepisos de 3.6 m en los niveles superiores. Los modelos utilizan acero A36 en vigas, columnas y diagonales, mientras que para las losas y rellenos se emplea hormigón con una resistencia a la compresión de f ’c = 210 kg / cm². Las cargas aplicadas en cada nivel se detallan en la Tabla 1 (MIDUVI, 2014b).

El suelo del casco urbano de Portoviejo está compuesto predominantemente por depósitos aluviales del río Portoviejo, consistentes en secuencias de capas de limos arcillosos con presencia de material limo arenoso (Hernández et al., 2019). La ciudad se encuentra en una zona sísmica VI, categorizada con un peligro sísmico muy alto (MIDUVI, 2014c). Para este estudio, se seleccionó un suelo tipo D, con una velocidad de onda cortante promedio (Vs₃₀) entre 180 y 360 m/s, conforme a la normativa sísmica de Ecuador (MIDUVI, 2014c). En función de estas características, los coeficientes para la construcción del espectro de diseño se presentan en la Tabla 9.

De acuerdo con el tipo y función de la edificación, se adopta un factor de importancia sísmica de 1.0. Debido a su configuración estructural, se consideran irregularidades, para lo cual se estiman coeficientes de irregularidad en planta (ϕ_P = 1.00) e irregularidad en elevación (ϕ_E = 0.90). Para el modelo PEMAC, se establece un factor de modificación de respuesta R de 7, correspondiente a marcos especiales de acero arriostrados concéntricamente, según la normativa (American Society of Civil Engineers, 2017). En el caso del modelo PIMD, se basaron en investigaciones previas (Asadi & Adeli, 2018), las cuales recomiendan para edificios de baja altura (menos de 8 pisos) un factor R en el rango de 3.5 a 4. En este diseño, se optó por utilizar un factor R de 3.

El período de vibración de la estructura, T_a, se estima mediante los métodos establecidos en la normativa nacional (MIDUVI, 2014a). El primer método calcula el período T de forma aproximada mediante la ecuación (1), en la que se define Ct = 0.073 y α = 0.75, valores aplicables a estructuras de acero con arriostramientos (MIDUVI, 2014c).

En esta ecuación, C_t y α son coeficientes determinados por el tipo de edificación, mientras que h_n representa la altura máxima del edificio. En este caso, el valor de período de referencia T_a es 0.55 segundos. Este valor se compara con el obtenido en el análisis dinámico, que considera las propiedades específicas de masa y rigidez lateral de cada modelo estructural.

Los espectros de aceleración, tanto elásticos como inelásticos o de diseño, calculados en función de las características geotécnicas, sísmicas y del tipo de estructura, se muestran en la Figura 3.

El análisis económico de ambos modelos se realiza estimando el peso total de los materiales principales, acero y hormigón, utilizados en la estructura. Para ello, se emplearon los datos de resumen obtenidos del programa especializado, que incluyen las diferentes secciones de acero A36 y el peso del hormigón aplicado en las losas, los rellenos de los elementos DIAGRID y las columnas tubulares. La Tabla 12 presenta los precios unitarios considerados para el cálculo:

Los periodos de vibración fundamentales obtenidos para los modelos PEMAC y PIMD son de 0.63 s y 0.38 s, respectivamente. Esto indica una mayor rigidez lateral en el modelo PIMD, atribuida a la configuración DIAGRID, la cual podría mejorar significativamente el desempeño estructural frente a cargas laterales. En el modelo PEMAC, los primeros dos modos son traslacionales, seguidos de un tercer modo rotacional, mientras que en el modelo PIMD los primeros cuatro modos son traslacionales y la rotación se observa hasta el quinto modo. Esto confirma la eficacia del sistema DIAGRID en la mejora de la estabilidad de la estructura (ver Tabla 13 y Figura 4).

Los resultados de cortante basal en los modelos PEMAC y PIMD presentan diferencias significativas (ver Figura 5), atribuibles al factor de reducción sísmica (R) aplicado en cada sistema estructural. En el caso de la dirección X, el modelo PEMAC alcanza un cortante basal de diseño aproximado de 162 toneladas bajo carga estática y de 150 toneladas en análisis espectral, alcanzando un 92.99% de cortante basal dinámico con respecto al estático. En cambio, el modelo PIMD, con un diseño más rígido debido a su configuración de DIAGRID, muestra valores de 400 toneladas en el análisis estático y 335 toneladas en análisis espectral, logrando un 84.29% de cortante basal dinámico en comparación con el estático.

En la dirección Y, los valores de cortante basal muestran una tendencia similar. El modelo PEMAC presenta un cortante estático de 162 toneladas y espectral de 152 toneladas, con una relación del 93.80% de cortante basal dinámico respecto al estático. Por otro lado, el modelo PIMD obtiene un cortante estático de 400 toneladas y un valor espectral de 333 toneladas, con un 83.65% de cortante dinámico.

La capacidad de carga axial de las columnas muestra una diferencia significativa entre los tipos de columnas empleadas en los modelos PIMD y PEMAC, por ejemplo, en la columna central, que soporta las cargas gravitacionales principalmente. En el modelo PIMD, se utiliza una columna tubular metálica rellena de hormigón tipo HSS, cuya capacidad de carga axial (344.82 Ton) supera en aproximadamente un 8% a la columna de tipo IPE empleada en el modelo PEMAC (294.30 Ton).

En la Figura 6 se presentan los desplazamientos inelásticos en las direcciones X e Y para ambos modelos (PIMD y PEMAC), destacando las diferencias en rigidez y deformación en función de la altura. La Figura 6(a) muestra los desplazamientos bajo el caso de carga estática equivalente, donde el modelo PIMD presenta desplazamientos máximos de aproximadamente 0.03 m en la dirección X y 0.05 m en la dirección Y, mientras que el modelo PEMAC alcanza hasta 0.12 m en X y 0.15 m en Y. En el análisis modal espectral, ilustrado en la Figura 6(b), el modelo PIMD exhibe desplazamientos de hasta 0.03 m en X y 0.05 m en Y, frente a los valores máximos de 0.11 m en X y 0.14 m en Y observados en el modelo PEMAC. Además, el modelo PIMD muestra una inclinación de línea menor y transiciones uniformes entre niveles, indicando una rigidez lateral superior y una distribución homogénea de deformaciones. Por el contrario, el modelo PEMAC presenta inclinaciones mayores y cambios irregulares en niveles superiores, sugiriendo una rigidez lateral decreciente y mayor susceptibilidad a deformaciones.

En la Figura 7 se presentan las derivas inelásticas. Se observa que el modelo PIMD mantiene derivas significativamente más bajas en comparación con el modelo PEMAC en ambas direcciones (X, Y) y para ambos casos de carga (Estático y Modal Espectral).

En el caso estático equivalente, las derivas máximas para el modelo PIMD alcanzan aproximadamente un 0.5% en la dirección X y un 0.8% en la dirección Y, mientras que el modelo PEMAC registra derivas más elevadas, alcanzando hasta 1.0% en X y 1.2% en Y. Estos valores sugieren que el modelo PIMD presenta una mayor rigidez lateral, reduciendo las deformaciones en cada nivel y manteniéndose por debajo del límite permisible de 2% (línea roja).

En el análisis modal espectral, el modelo PIMD también muestra derivas más controladas, con valores máximos cercanos a 0.55% en X y 0.8% en Y. En contraste, el modelo PEMAC alcanza derivas de aproximadamente 0.9% en X y 1.0% en Y, evidenciando nuevamente una menor rigidez lateral en comparación con el modelo PIMD.

La fracción de demanda respecto a la capacidad (D/C) en el modelo PEMAC evidencia una distribución de cargas en la estructura con mayor concentración de esfuerzos en los pisos inferiores, la cual disminuye progresivamente hacia los niveles superiores. En el piso 1, las diagonales alcanzan relaciones D/C entre el 70% y 90%, mientras que en los pisos 2, 3 y 4, los esfuerzos en los arriostramientos concéntricos se mantienen por debajo del 70% de su capacidad (ver Figura 8). Esta tendencia también se observa en otros elementos estructurales como vigas y columnas.

En el sistema PIMD, los esfuerzos presentan una distribución diferente, concentrándose en los pisos donde convergen las diagonales del sistema DIAGRID, específicamente en los niveles 2 y 4. Las vigas de estos pisos, así como de la cubierta, operan en un rango de D/C entre el 70% y 90%, mientras que las vigas de los niveles 1 y 3 muestran valores entre el 60% y 80% (ver Figura 9). Por otro lado, los elementos compuestos del sistema DIAGRID resisten de manera efectiva las cargas laterales, con relaciones D/C que varían entre el 80% y 95% en los dos primeros pisos, y entre el 60% y 80% en los niveles 3 y 4.

La Figura 10 presenta la relación D/C para las vigas secundarias en los sistemas evaluados. En el sistema PEMAC, las vigas secundarias alcanzan valores elevados de D/C, con algunos tramos que superan el 0.9, evidenciando un nivel de esfuerzo cercano a su capacidad máxima, especialmente en los pisos inferiores. En el caso del sistema PIMD, los valores de D/C también se aproximan a 1.0, principalmente en los niveles donde convergen los elementos DIAGRID, lo que indica una mayor demanda estructural en estas zonas.

Las reacciones generadas por las cargas de servicio (carga viva y carga muerta), desempeñan un papel importante en el diseño de las fundaciones estructurales. Como se muestra en la Figura 12, aunque ambos modelos (PEMAC y PIMD) transmiten pesos globales similares al suelo, existen diferencias en la distribución de las cargas. En el modelo PEMAC, las reacciones máximas en los puntos de soporte alcanzan valores de 109.53 Ton en el eje central (B), mientras que en el modelo PIMD, las reacciones son más uniformes, alcanzando valores de hasta 110.48 Ton en el eje E. Esta uniformidad en el modelo PIMD permite diseñar cimentaciones similares para los apoyos.

Un objetivo clave en el diseño sismorresistente es lograr estructuras ligeras pero seguras, con capacidad suficiente para resistir los eventos sísmicos de la región. La reducción de la masa sísmica se convierte en un aspecto fundamental para mejorar el comportamiento estructural, y por ello, se evaluó el peso de los materiales principales en cada modelo. La Figura 13 muestra la relación del peso de los elementos de acero de ambos modelos. El modelo PEMAC tiene un peso total de 79.12 toneladas, mientras que el modelo PIMD alcanza 76.24 toneladas, logrando una reducción de 2.88 toneladas en el peso propio.

Para este análisis, se consideraron los costos de provisión y montaje del acero estructural A36, excluyendo los costos adicionales de cimentaciones, mamposterías, revestimientos y acabados. Tras realizar la comparación, se observa que el modelo PIMD permite un ahorro significativo en el costo total de construcción (Figura 14). El modelo PEMAC presenta un costo de $276,920.00, mientras que el modelo PIMD alcanza un costo de $266,840.00, lo que representa una diferencia de $10,080.00, es decir, un ahorro del 3.64% a favor del modelo PIMD.