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SEMINARIO DE ACTUALIZACIÓN NORMA NCh 2369

Capítulo 8: Disposiciones para estructuras de acero

Alcance y significado de las modificaciones

Por: Ramón Montecinos C.

16 de noviembre de 2017

1- EL ESCENARIO HISTÓRICO

El diseño de las estructuras de acero y la norma NCh 2369 en particular, surgen en uncontexto histórico que es necesario tener presente para conseguir una buena comprensión.

Las principales características del escenario del diseño en acero son, a mi juicio, lassiguientes:

a- La norma nace en una comunidad pequeña de un país con recursos limitados, pero queha desarrollado grandes proyectos especialmente en la celulosa y la minería.

b- El referente natural es la normativa de USA, pero siempre con una lectura selectiva.

c- Chile tiene la experiencia de sismos fuertes a razón de varios por cada generación deingenieros, lo que determina una visión experimental muy realista: aprendemos de nuestroserrores y podemos realizar una retroalimentación efectiva.

d- En todas las áreas del diseño estructural existe un nexo fuerte entre la ac ademia y losdiseñadores. Esto es de especial relevancia en el diseño de estructuras de acero, en que elrol de los ingenieros de la práctica ha sido determinante: el diseño de estructuras de acero enChile es un diseño nacido y enseñado desde las trincheras de la profesión.

Para un tratamiento más completo de estos aspectos en que la historia entrega luz y relievea los aspectos técnicos, es posible remitirse a los siguientes trabajos:

Ramón Montecinos: “Evaluación de la norma NCh 2369. Of.2003: Diez años de uso”, XICongreso Chileno de ACHISINA ( 2015).( ver Anexo)

V.V.A.A (2012): Mw=8,8.Terremoto en Chile. Capítulo 10: Estructuras industriales. DeptoIngeniería Civil. Universidad de Chile

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2- LA PEQUEÑA HISTORIA DE LA REVISIÓN DEL CAPÍTULO 8 DE LA NORMA.

El diseño moderno de estructuras de acero para la industria se remonta a los días de laCORFO y la Siderurgia de Huachipato en la década de lo 1940-1950.

Medio siglo de uso y con el trabajo de nuestros maestros esa experiencia se tradujo en eltexto normativo a fines del siglo XX y se oficializó en la NCh 2369.Of.2003

La revisión que hoy se presenta surge de:

a- Mas de diez años de uso intensivo en proyectos que superan los 50.000 millones dedólares.

En ese período las instalaciones y los equipos industriales han crecido significativamente demanera que el uso de la norma ha necesitado extrapolar los requerimientos de diseño adimensiones muy por encima de las de los modelos calibrados.

El uso intensivo de la norma en el diseño ha desnudado el texto y mostrado sus limitaciones.

b- La experiencia de la globalización creciente del diseño.

Al intervenir ingenieros de diversos países, cuya lectura del texto normativo ha sido hechadesde la literalidad sin contar con el intangible de la experiencia nacional se ha tensionado eldiseño y requerido aclaraciones y mejoras de redacción que parecían innecesarias para elingeniero chileno.

Este aspecto ha sido cubierto en gran medida por la institución de los “Revisores Sísmicos”,que se han constituido en los guardianes de la ortodoxia y los transmisores del buen diseño.

Al mismo tiempo, el desarrollo normativo norteamericano (ASCE 7, AISC 341, etc) hagenerado tensiones que cruzan lo académico, la industria del seguro y la práctica de nuestraprofesión en un mundo judicializado y en que las empresas son internacionales.

c- La experiencia de un gran sismo el 27 de febrero de 2010.

La visión compartida por la comunidad de especialistas chilena e internacional después delsismo del 27-F es que los diseños bien realizados con la norma NCh 2369 cumplen losobjetivos declarados por la norma relativos a la seguridad, el buen desempeño y lacontinuidad operacional, si bien el último de ellos, en lo relativo a minimizar la paralización,requiere de complementos y ajustes.

Confirma lo anterior que luego del sismo del 27-F, el texto de la norma no fue intervenido,como sí ocurrió con el correspondiente al diseño de edificios y que el trabajo del equipo quehoy se presenta no ha tenido los dramas de la urgencia.

Limita esta experiencia la poca disposición de las industrias a trasparentar sus daños einformes para que la comunidad técnica pueda contar con toda la información, situación

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opuesta a la del mundo de los edificios, en que la transparencia de los daños y lamultiplicidad de análisis, informes y opiniones es muy alta.

En ese escenario, la experiencia de más de 10 años de uso, el recuerdo fresco de lasnumerosas discusiones interpretativas y lo aprendido en los sismos recientes, puso en claraevidencia la necesidad de revisar algunos aspectos normativos, sin ir a una reformulacióntotal del capítulo.

Algunos aspectos que requieren revisión son formales o tienen relación con problemasespecíficos de diseño que es preciso resolver, sin embargo hay otros que tienen relación conla filosofía del diseño.

Tenemos entre otros:

a- Relación ambigua entre el Capítulo 8 de la norma y las AISC-Seismic Provisions

b- Diseño de conexiones que ha llevado a diseños más pesados que los históricos y ainnumerables conexiones desmedidas en estructuras irrelevantes o incomprensibles ycomplejas de construir.

c- Diseño demasiado preocupado de la sobrerresistencia, privilegiando soluciones muyfuertes que eventualmente pueden resultar cuasi frágiles para sismos de mayor tamaño queel de diseño: la tensión entre sobrerresistencia y ductilidad no estaba bien resuelta.

d- Necesidad de objetivar los “criterios de salida” que permitan aplicar una misma norma aestructuras e instalaciones de naturaleza muy diversa: desde el chancador de la gran mineríaa la fábrica de mermeladas de Quilicura.

e- Necesidad de crear un conjunto de disposiciones “objetivas”, menos sujetas ainterpretación y magisterio.

Junto a esa visión de necesidad técnica, el comité de revisión mostró de manera fuerte ycolectiva la necesidad de conservar el estatus de obligatoriedad que solo otorga laoficialización de la norma.

Esa obligatoriedad debe ser aplicable a todo diseño, independiente del origen nacional oextranjero de su provisión y al mismo tiempo, se debe mantener la institución de losRevisores Sísmicos.

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3- UNA VISIÓN GENERAL DE LA REVISIÓN

3.1- La revisión no es refundacional

La revisión que se presenta no es refundacional sino reactiva a la experiencia de uso de lanorma actual, por ello la modificación propuesta para el Capítulo 8 siempre está conversandocon el Capítulo 8 de la norma en uso.

En ese sentido, es preciso siempre mantener una visión sinóptica de ambos textos enparalelo para apreciar el alcance ( y las limitaciones) de los cambios propuestos.

3.2- Aclara la relación con AISC-Seismic Provisions

Aclara de manera inequívoca el vínculo (ambiguo) que existía con las AISC-SeismicProvisions:

En aquellos sistemas estructurales para los que la NCh se pronuncia, se debe aplicarexclusivamente la NCh: Marcos arriostrados y marcos rígidos

En aquellos en que la NCh calla, se debe aplicar las AISC-Seismic Provisions, limitando sufactor de reducción de respuesta y amortiguamiento a valores bajos, lo que evidencia lavisión escéptica de la comunidad en lo relativo a confiar mucho en la ductilidad.

3.3- Normaliza la provisión de sobrerresistencia

La solución de diseño que privilegia la resistencia antes que la reducción de esfuerzos porductilidad está muy encarnada en la comunidad. Tal vez demasiado, por lo que en esasituación es fácil pasar de la sobrerresistencia racional al sobrediseño incontrolado quepuede entregar estructuras frágiles.

Por otro lado, es preciso dar salidas a situaciones en que no es posible cumplir con todas lasexigencias o que aplique en casos en que la estructura queda diseñada por otras acciones.

Simplificando: Si su provisión de sobrerresistencia es 0,7 R ≥ 2, los requerimientos sepodrían liberalizar en cierta medida, pero se debería mantener la intención de ductilidad y elcuidado en el diseño para evitar las situaciones elasto-frágiles.

Este punto requerirá una interesante discusión durante la revisión pública.

3.4- Protección a las columnas

Columnas, vigas, diagonales es el orden natural, sin embargo en ocasiones, el cuidado yprotección excesiva de las últimas puede menoscabar el desempeño de las primeras.

Por ello, la revisión propuesta busca proteger de mejor manera las columnas, intentandoevitar las estructuras que fallan de manera frágil para sismos de mayor tamaño que el dediseño.

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En sistemas arriostrados se impone la necesidad de evitar que la falla de las columnaspreceda a la de las diagonales, lo que puede ocurrir si las diagonales se diseñan condemasiada sobrerresistencia.

3.5- Diseño de las conexiones menos impositivo.

La revisión mantiene la visión que las conexiones son el alma de las estructuras de acero yque siempre ellas deben tener un grado de resistencia superior a la capacidad de losmiembros, sin embargo exigir su diseño para la plena capacidad a todo evento y para todaslas estructuras no es razonable.

La proposición diseña las conexiones desde sus esfuerzos de análisis amplificados,permitiendo que no se calculen para toda la capacidad del elemento en todos los casos, peromanteniendo un mínimo que solo depende de la sección.

3.6- Mejoras en diversos aspectos del diseño de los marcos arriostrados y rígidos.

Introduce mejoras y evita algunas contradicciones en los dos sistemas estructurales queconsidera: marcos arriostrados y marcos rígidos.

El texto propuesto intenta tener requerimientos lógicos, sencillos y consistentes querespondan a las preguntas que el diseñador se formula en su trabajo.

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5- EL NUEVO CAPITULO 8: DISPOSICIONES PARA ESTRUCTURAS DE ACERO

Punto 8.1 Disposiciones generales

Se aclara la relación entre el Capítulo 8 y las Seismic Provisions ( AISC 341-10)

En el primer punto del Capítulo se indica que para el diseño de los sistemas estructurales deacero descritos en la Tabla 5.6 (Tabla de los R), es obligatorio utilizar la norma NCh427complementada con las disposiciones del Capítulo 8.

Para los sistemas estructurales de acero o mixtos, no incluidos en la Tabla 5.6, el diseño sedebe basar en las Seismic Provisions, pero limita tanto el valor de R, que en ningún casopuede ser superior a 5, como el amortiguamiento relativo, que no puede superar el 5%.

De esta manera queda bien claro el espacio de cada uno de los documentos: Para lossistema incluidos en la Tabla 5.6, esto es, los marcos arriostrados y los marcos rígidos, sedebe usar el Capítulo 8.

Para los restantes sistemas, las Seismic Provisions serán el documento de diseño. En estoscasos, los “R” que se aceptan para el diseño son moderados, menores que 5 y elamortiguamiento relativo también se limita ( 5% máximo), ambos límites consistentes con latradición nacional de escepticismo y desconfianza en la seguridad obtenida por medio de lasola ductilidad.

Punto 8.2 Materiales

Si bien se mantienen los requerimientos para el acero, se incorporan algunos materiales,especialmente del listado ASTM.

Se referencia la norma NCh 203 en lo referido a soldabilidad garantizada y tolerancias.

Punto 8.3 Requisitos generales de diseño

Se agregan definiciones que antes faltaron: Capacidad esperada.

Se incorpora punto que exige una capacidad axial de protección a todas las columnas:

8.3.4 La resistencia axial requerida de las columnas (tracción y compresión) debe ser determinada utilizando lascombinaciones de cargas definidas en la sección 4.5, en las cuales el estado de cargas sísmico ha sidoamplificado por 0,7R1≥2. Para esta verificación adicional se permite despreciar los momentos flexurales, aexcepción de aquellos generados por cargas presentes en el vano.

Se explicita Ry: Se incorpora la diferencia entre la fluencia mínima del acero (Fy) y la fluenciaesperada o media, (RyFy).

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Punto 8.4 Requisitos generales para conexiones

Resistencia mínima de las conexiones se define en términos de los esfuerzos mayorados, lacapacidad esperada del elemento y la carga máxima que el sistema le puede transferir.

Pero toda conexión debe resistir no menos que la mitad de la capacidad esperada delelemento:

8.4.1 La resistencia requerida de las conexiones debe ser determinada utilizando las combinaciones de cargasdefinidas en la sección 4.5, en las cuales el estado de carga sísmico ha sido amplificado por 0,7R1≥2.

La resistencia axial requerida no necesita ser mayor que el menor valor entre:

a) La capacidad esperada del elemento a conectar.b) La máxima carga que el sistema puede transferir a la conexión.

La resistencia requerida no debe ser menor que la mitad de la capacidad esperada del elemento.

Por ejemplo, si consideramos una diagonal de ASTM A 36: Ry = 1,3 ( valor del AISC 341 paraplanchas de ASTM A36), entonces la resistencia mínima a conectar sería:

0,5 x 1,3 x Fy x Ag = 0,65 Ag Fy

Siempre que la de análisis amplificada por 0,7R1≥2 no sea superior.

Punto 8.5 Anclajes

En general es igual al punto 8.6 de la norma actual, con la incorporación de salidas paraalgunas de las exigencias por medio de la sobrerresistencia.

Punto 8.6 Marcos arriostrados concéntricamente (MAC)

a- Se elimina el punto 8.3.6 que pedía que el esfuerzo sísmico en las diagonalescomprimidas debía ser menor o igual al 80% de la capacidad resistente de la diagonal.

Con esto se evita que las diagonales queden sobrediseñadas y se induce un diseño en quela falla de las diagonales debe preceder a la de las columnas.

b- Diseño de diagonales en V o V invertida.

b.1- Se admite que la separación entre puntos de trabajo de las diagonales sea hasta dosveces la altura de la viga, permitiendo que se sigan tratando como si fueran concéntricas.

Si la separación fuera mayor, caería fuera del alcance del punto y se remitiría a AISC 341para ser tratada como marco con diagonales excéntricas.

b.2- Se pide verificar la viga en la condición de una de las diagonales en fluencia por traccióny la otra en compresión residual.

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c- Se entregan requisitos para el diseño de los puntales o vigas horizontales que unen losextremos de las diagonales y de sus conexiones.

d- Falta establecer una redacción completa para los criterios de salida

Punto 8.7 Marcos rígidos (MR)

a- Se elimina el Anexo B que existe en la norma actual ya que ahora se cuenta con laNCh427 y el resto se incluye en este mismo punto.

b- Se reescriben las cláusulas cuyo objeto es evitar la configuración de columna débil conviga fuerte.

c- Se incorporan exigencias adicionales para el diseño de los nudos y vigas de los marcos.

d- Falta establecer una redacción completa para los criterios de salida

Punto 8.8 Sistemas arriostrados horizontales (diafragmas)

a- Se modifica con mejoras la redacción.

b- Se normalizan criterios de salida

Tabla 8.1 Límites de la relación ancho/espesor

El comité mantuvo los límites de las relaciones ancho/espesor para los diversos elementos,quedando con exigencias menores a las del AISC 341-10.

Esto fue motivo de largas discusiones, ya que existe evidencia de la investigación que paraesos límites, no es posible asegurar siempre que se puedan desarrollar los niveles dedisipación requeridos para obtener valores de R superiores a 4.

En ese escenario habían dos opciones:

Opción 1: Subir las exigencias de la Tabla 8.1 a los niveles comparables a los de AISC 341 ymantener igual la Tabla 5.6 de los R máximos.

Opción 2: Mantener los límites de las razones ancho/espesor de la Tabla 8.1 actual y revisara la baja algunos de los R de la Tabla 5.6

En base a la experiencia de los diseños nacionales y por votación, el comité optó pormantener sin cambios ambas tablas.

Posiblemente este tema se volverá a plantear durante la consulta pública.

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6- TAREAS PARA LA CONSULTA PÚBLICA Y SU POSTERIOR DISCUSIÓN

6.1- Lectura multióptica

Un grupo de redacción con fuerte componente académica y de revisores, que piensa demanera similar, con experiencias parecidas y visiones compartidas, no es representativo delusuario de la norma ni su lectura del texto es la misma que tendrá el que no ha participadoen la génesis del documento.

Por ello es muy necesaria la lectura múltiple, la lectura desprejuiciada y menos docta.

Es necesaria la lectura literal, la que se preocupa de la redacción equívoca, la mirada quebusca contradicciones, etc.

Esa es una de las responsabilidades de la comunidad de ingenieros que solo puede serencarada entre todos: en ningún momento es más importante que ahora la presencia detodos: viejos y jóvenes, doctos académicos y aprendices que recién inician su vidaprofesional.

6.2- El comentario

Existen diversos tipos de normas y es bueno que quede explícito: hay normas cuyocontenido es absolutamente objetivo y casi nada queda a la interpretación o la voluntad delusuario.

Son de ese tipo, por ejemplo, las que establecen las condiciones de fabricación de los tubosde hormigón para alcantarillado: se definen diámetros, espesores, tolerancias, etc.

Son las típicas normas de materiales.

Otras, dicen qué hacer o cómo proceder en situaciones precisas: es el caso de las normasde diseño de hormigón, acero u otros materiales: si la sección está sometida a tal o cualesfuerzo, entonces haga esto o esto otro, no coloque menos armadura que tal o cual, etc.

En esos caso, las normas son precisas, pero abarcan casos particulares que están biendelimitados: resuelven la parte pero no tratan del todo.

Finalmente tenemos las normas como la de diseño sísmico, que trata del todo y si bienintentan ser objetivas y cubrir todo el campo, inevitablemente algo o mucho se les escapaentre sus artículos.

Quieran o no, son normas declarativas de aspiraciones, de consejos e intenciones.

Así miradas, parece que las normas de diseño están condenadas a la subjetividad yrequieren de magisterio, llámese comentario, asesoría experta o revisión por parte de ungrupo iluminado.

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Para reducir ese margen de discrecionalidad y legitimar la norma en un mundo globalizado,la mejor manera es contar con un buen y extenso comentario, que resuma y se hagadepositario de la lectura magisterial, esa que puede enmendar los números que la normaentrega para casos extremos, interpretar sus ambigüedades y expresar aquello “que lanorma quiere decir”.

6.3- La calibración

Las expresiones normativas tienen siempre una doble dimensión: la redacción cualitativa queestablece el concepto y las expresiones que lo cuantifican y permiten su aplicación en eldiseño de todos los días.

En general, establecer el concepto es más simple que cuantificar el requerimiento: ¿por quéla sobrerresistencia para diseñar las conexiones (aspiración con la que es fácil estar deacuerdo) se cuantifica como la amplificación por 0,7R1 ≥ 2 y no es mejor 0,5R1 ≥ 1,5.?

El trabajo de investigar de manera comparativa el efecto de las nuevas disposiciones esnecesario y no ha sido enfrentado salvo de manera puntual y en casos particulares.

La calibración es una tarea necesaria y no puede ser dejada a la buena voluntad de losacadémicos o al trabajo de algunos memoristas.

Es necesario que se realicen diseños que apliquen la norma en las condiciones normales desu uso, con las prácticas habituales y con usuarios provenientes de la trinchera del diseño.

Para este esfuerzo es importante el apoyo de las empresas que a futuro deberán diseñar susnuevas instalaciones con esta norma y que serán inspeccionados por empresas de segurosque la usarán como base del cumplimiento de sus coberturas.

Y si se produce un encarecimiento significativo de algunos diseños, es durante la consultapública cuando se debe opinar de manera que no se repita el llanto de Boabdil.

Busque en Wikipedia.

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Paper N° xxx

EVALUACIÓN DE LA NORMA NCh 2369.Of2003: DIEZ AÑOS DE USO

Ramón Montecinos C.

(1) Ingeniero Civil,Consultor en Ingeniería Estructural y Revisor Sísmico de Minería, Industria y Energía.. [email protected]

Resumen La ingeniería estructural de industrias se inició en Chile a mediados del siglo XX y 40 años después sus ideas de diseño se plasmaron en la norma NCh 2369.Of2003. Hoy, con diez años de uso en grandes proyectos y un terremoto M=8.8, se propone un balance en el camino.

Se presenta el contexto en que nació y se redactó la norma, recorriendo el período y relacionándolo con el texto normativoy los resultados de los diseños a los que condujo.

Finalmente se revisan los principales conflictos y déficit detectados en las revisiones sísmicas y se proponen mejoras o estudios complementarios para actualizar el texto, tarea que la comunidad de especialistas está iniciando.

Palabras Clave: Diseño sísmico, estructuras industriales, norma chilena NCh 2369.Of2003

AbstractStructural engineering for industries began in Chile in the mid-twentieth century and 40 years after their design ideas were embodied in the NCh 2369.Of2003 standard. Today, with ten years of use in large project and after an M=8.8 earthquake, abalance in the way is proposed.The context in which the code was born is commented and related with its requirements and with the structural designs obtained by its use.Finally the main conflicts and deficits are reviewed and improvements identified for further studies.

Keywords: Seismic Design, Industrial Structures, Chilean Code NCh 2369

XI Congreso Chileno de Sismología e Ingeniería Sísmica ACHISINA 2015 Santiago de Chile, 18-20 de Marzo, 2015

1 Introducción

La norma NCh 2369 Of.2003: Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales, como su título lo indica, seoficializó en 2003, pero su preparación duró cerca de diez años y su génesis, otros veinte si fechamos su primeraexpresión en la conferencia que expuso don Elías Arze en una de las sesiones de las Segundas Jornadas de ACHISINAdel año 1976 [1].

A lo largo de los casi 30 años que duró su redacción y de los últimos diez convertido en texto oficial, la aplicación desus prescripciones ha involucrado proyectos cada vez mayores, con equipos e inversiones, especialmente en laminería, no imaginados cuando el documento nació.

El uso en inversiones cercanas a los cincuenta mil millones de dólares, un terremoto de nivel histórico y la realidadde un mundo globalizado, demandan iniciar una reflexión en el camino.

2 La historia de la norma en el contexto del diseño

2.1 Unas líneas de historia

La ingeniería estructural de industrias se inició en Chile a mediados del siglo XX con la CORFO, especialmente con elproyecto de la acería de la CAP en Huachipato.

A partir de esa experiencia, legitimada por el buen desempeño de las instalaciones del área industrial de Concepcióny en particular de la CAP durante los terremotos de mayo de 1960, se estableció un modelo de ingenieríasismorresistente que, consolidada en años setenta e integrada a la cultura de las nacientes empresas de ingenieríacreadas en esa época, se aplicó a los proyectos de la naciente CODELCO y a los privados que desde los ochenta seabrían al nuevo escenario económico.

Ese período quedó marcado por tres hechos: el terremoto del 3 de marzo de 1985, que si bien afectó soloparcialmente las instalaciones industriales, entregó los mejores registros disponibles.

En segundo lugar, por los grandes desarrollos de la celulosa y los primeros de la minería realizados casi totalmentepor ingeniería chilena.

El tercer aspecto es la instalación definitiva en Chile de las empresas internacionales de ingeniería, reemplazando pormedio de compras o fusiones a las firmas nacionales.

Ese fue el ambiente en que se desarrolló la redacción de la norma NCh 2369.

2.2 Los documentos precursores

Junto al citado documento de don Elías Arze del año 1976, es preciso tener presente los siguientes documentos dediferente origen:

a- CD-7: CODELCO- Chuquicamata: Criterio de diseño civil-estructural [2].Este documento tiene varias revisiones y participantes, desde la primera emisión a comienzo de los años 1980 (R.Saragoni y otros), hasta su última revisión a fines de 1990 (A. Durán y otros).El CD-7 reunió en un texto bien hilado y consistente, la mejor manera de diseñar de ese momento.

b - Diversos criterios de diseñoDesde mediados de los años 60 y al alero de las iniciativas de la CORFO, las empresas nacionales nacientes (CADE-IDEPE, RFA Ingenieros, ARZE Benrath y otras), generaron extensos y completos criterios de diseño que fueroncristalizando una manera común de trabajar.

c- El trabajo de J. Blume posterior al sismo del año 60 [3].Blume realizó un estudio detallado de la respuesta (buena o mala) al sismo de mayo de 1960, de un conjunto de

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estructuras sencillas de la Planta Huachipato de CAP, generando un espectro empírico de respuesta o desempeño,que permitió a don Rodrigo Flores establecer un espectro de diseño con buena base (Espectro RFA), el de mayordifusión y uso durante los años 1970 a 2000.

Este trabajo, independientemente de su valioso resultado, empujó una visión del diseño anclada en lo realmentevivido por las estructuras, antes que en la pura especulación teórica.

d - La norma NCh 433 La información, conceptos y texto de la norma NCh 433, desde su primera emisión oficial en 1972, se aplicaron en losdiseños industriales. Con los filtros necesarios (ductilidad, continuidad operacional), ha sido un documento decompañía al diseño de estas instalaciones.

e- Documentos o criterios de diseño de origen extranjero.Entre estos: AISE Standard N°13, código AISC, especialmente las ediciones 1969, 1978 y 1989 (ASD), código ACI 318-71 y siguientes.

f- La documentación recogida sobre los sismos que afectaron la zona central y sur [4,5,6]Los sismos que periódicamente afectaron al país, especialmente los del año 1960 y 1985, pero también losregistrados en 1965 y 1971, quedaron documentados en diversas publicaciones y constituyeron la base material parala comprensión de la acción sísmica y del desempeño de las obras.

2.3 El contexto del diseño sismorresistente de minería e industria en Chile antes del año 2000

La norma NCh 2369 se generó en un momento histórico concreto, que filtró y acomodó los principios universales dela disciplina a una situación social, económica y profesional específica.

Esa característica hace necesario tener presente el contexto en que se ha vivido el diseño, complementando la visiónexclusivamente técnica. Estos son los aspectos más relevantes durante los 20 años previos a la redacción.

a- Una comunidad profesional pequeña en un país pequeño y pobre.

Una comunidad pequeña comparte con facilidad sus conocimientos, se alinea en un conjunto de procedimientos yconstruye de manera casi automática una “ideología de diseño”.

Si se trata de un país con desarrollo limitado, la necesidad de cuidar las inversiones es un subproducto inevitable,como quedó bien resumido un trabajo de preparado por don Rodrigo Flores [7].

b- Medios de análisis limitadosHasta fines de los años 1980 el diseño se realizaba de manera manual casi exclusivamente, siendo las únicasherramientas computacionales el marco plano y el análisis modal de estructuras con diafragma rígido.

No se contaba, en el diseño cotidiano, con herramientas para diseñar fundaciones.

De manera excepcional se recurrió a otras herramientas computacionales, diferente a lo que ocurría con los edificios,donde el análisis de buena calidad era la base del dimensionamiento.

El uso de modelos simples fue la regla, lo que se tradujo en la necesidad de estructuras sencillas y una comprensiónprofunda de su comportamiento.

c- Uso casi exclusivo de la normativa de Estados UnidosCasi la totalidad de los diseños de hormigón se realizaron de acuerdo con ACI 318 y todo el acero con AISC o AISI.

Ello determinó un buen conocimiento de esas normativas, posiblemente mejor en el mundo del diseño que en lasuniversidades, especialmente en lo relativo a estructuras de acero.

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Sin embargo la lectura y el uso se realizó filtrando y acomodando los documentos originales a la realidad nacionalpor medio de una lectura selectiva, posiblemente una de las causas del buen desempeño de las estructurasdiseñadas.

d- Diseño sísmico con el método estático y el Espectro RFA.Incluso en las estructuras en que su geometría y configuración permitía aplicar con propiedad un análisis dinámicosencillo, el diseño se realizaba con el método estático.

Esto generó una cierta indiferencia frente a las herramientas de análisis, cuyos resultados igual se comparaban con elestático, privilegiando éste último en el diseño final.

Desde el punto de vista sicológico, el mundo del diseño minero-industrial ha mostrado ser una comunidad escéptica,que confía más en la buena estructuración que en el buen análisis, sin gran interés en definir o modificar la acciónsísmica, pero con gran atención en la estructura y el oficio.

e- Estructuras de todas las áreas diseñada por los mismos equipos humanosEn todas las áreas: minería, siderurgia, celulosa, etc., las instalaciones fueron diseñadas por los mismos equiposhumanos y en consecuencia, una visión común permeó todo el sistema.

Por otro lado, tanto el diseño de las estructuras de acero como sus fundaciones fueron diseñadas por los mismosequipos humanos y normalmente por el mismo ingeniero, ya que lo limitado del medio así lo imponía, lo que setradujo en una visión integrada, evitando tratar la superestructura y sus fundaciones como entes independientes.

f- Principios de estructuración simples generalmente aceptados por los otros actoresLos principios de buena estructuración son conocidos y compartidos por todos, desde los libros de diseño hasta lascharlas de los ingenieros de experiencia: estructuras sencillas, simétricas en lo posible y siempre redundantes, conpocas irregularidades, sobrerresistencia racional, conexiones fuertes, etc.

Sin embargo lo singular en relación a este punto ha sido que todos los actores que participan en el proyecto:mecánicos, especialistas en lay-out y en procesos, etc., han aceptado las proposiciones de un conjunto de ingenierosestructurales respetados y escuchados como actores válidos, lo que ha conducido a reflejar los principios enunciadosen los diseños reales.

Posiblemente este punto, junto a la existencia de una buena comunidad de ingenieros y empresas de estilocompartido, han sido otras de las características del diseño chileno.

g- Experiencia de sismos históricos recogida por las mismas empresas de diseño.Este hecho apunta a un aspecto integrador de suma importancia: los periódicos sismos que han afectado Chilesiempre han necesitado de visitas a terreno post evento, ya sea con el objeto de confirmar los daños o su ausencia,tomar las medidas paliativas y de reparación o participar en las evaluaciones de los seguros.

Por el tamaño de la comunidad de ingenieros especialistas, todas esas tareas las ha realizado casi la misma gente queparticipó en los diseños originales y por consiguiente, su contacto con el desempeño real de las estructuras ha sidoinmediato.

Esto ha empujado a establecer una práctica que mira el comportamiento (bueno o malo) de las instalaciones,muchas veces de propio diseño, permitiendo una efectiva retroalimentación.

3 La norma NCh 2369 en su aplicación: 2003 a 2014

3.1 Caracterización del período

a- Proyectos de montos y complejidad crecientesSi a fines de los años 90 las grandes inversiones se medían en algunos centenares de millones de dólares, durante losúltimos años las inversiones se han multiplicado por diez, con proyectos de miles de millones de dólares.

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Ese incremento de inversión ha llevado aparejado el incremento del tamaño de las plantas, de los equipos y suspesos, de los volúmenes de las tolvas, etc.

Esos cambios han exigido el uso intensivo de la norma, exponiéndola a pruebas exigentes y en más de un caso, aextrapolaciones para diseñar elementos excluidos de su alcance original.

b- Globalización de los proyectosLa globalización de la ingeniería ha presentado dos aspectos que han afectado el diseño: la adquisición de lasempresas nacionales por grandes empresas extranjeras y la internacionalización del trabajo, especialmente en losproyectos de mayor tamaño.

La compra de las empresas nacionales ha implicado cambios en la forma de trabajar, especialmente en laorganización de los equipos, en el incremento de lo administrativo y en una carga neo jurídica, con términos comojuicios, limitación de responsabilidades, etc.

Las nuevas empresas han introducido divisiones del trabajo consistentes con su naturaleza globalizada y,progresivamente, aspectos parciales de los proyectos, generalmente relacionados con detallamiento y diseñorutinario, han ido desplazándose hacia grupos de trabajo en el extranjero.

c- Internacionalización del uso de la normativa sísmica nacional.Debido a la internacionalización descrita, la normativa nacional ha sido sometida a una fuerte prueba: su usodescontextualizado.

Esto es, su uso en manos de diseñadores, no siempre ingenieros, que desconocen su contexto y solamente seremiten al texto. Es, para remitirnos a conceptos de otros ámbitos, la lectura desmagisterializada de la norma, lalectura químicamente pura, sin circunstancias ni historia.

El resultado ha sido la interpretación peregrina, la lectura sorprendente y el descubrimiento del resquicio gramatical.En resumen, la deconstrucción del texto.

Esa internacionalización ha requerido de numerosas aclaraciones, complementos con redacciones más claras ydiscusiones tardías e inevitablemente arbitrarias a los ojos del afectado, que no siempre sabe que todo texto es,finalmente, incierto.

d- La revisión sísmicaLa respuesta natural al nuevo escenario de equipos cada vez mayores y de mayor complejidad, diseños extranjeros ydivisión internacional del trabajo, ha sido la consolidación de la revisión sísmica como etapa necesaria de losproyectos.

La revisión sísmica ha generado una lectura e interpretación común y consensuada de la norma, en resumen, unasuerte de magisterio necesario que ha contribuido, en buena parte, a salvar los problemas de la lecturadescontextualizada del punto anterior.

e- El sismo del 27 de febrero de 2010.El sismo del 27F afectó a las instalaciones del mundo de celulosa, la siderurgia y otras industrias, poniendo a prueba,por primera vez, a estructuras diseñadas con la norma NCh 2369 o al menos, con algunos de sus conceptos ydocumentos predecesores.

El resultado, consensuado por la comunidad de especialistas, confirma que el uso correcto de esas disposiciones, haconducido a estructuras con un buen desempeño sísmico, sin embargo el propósito de pronta puesta en marcha ycontrol de los daños no siempre se ha conseguido.

En efecto, la información recogida en las visitas realizadas por la comunidad de especialistas [8] justifica el resumenanterior, ya que si bien se encontraron estructuras con diseño deficiente, la mayor parte de los daños detectados se

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debió a errores como conexiones débiles o mal concebidas, inestabilidad en elementos comprimidos, insuficientedetalle de las juntas para manejar las deformaciones, problemas en pedestales y otros que no son responsabilidadde la normativa.

Aspectos deficitarios que el sismo puso en evidencia apuntan a una zona de incertidumbre en el alcance de la normaNCh 2369 y tiene relación, por ejemplo, con los daños en estructuras que forman parte de esas instalaciones y quese asimilan a edificios: salas de control, salas eléctricas, etc., cuyos daños, especialmente en elementos secundarios,originaron problemas en los equipos que cobijaban.

Otro aspecto deficitario fue la situación de las estructuras prefabricadas, cuyo nivel de daños fue mayor al de otrossistemas estructurales, especialmente si se consideran los paneles de cierre.

4 Observaciones generales a la norma y puntos a mejorar.4.1 Panorama general

La experiencia de estos diez años de uso intensivo de la norma NCh 2369 ha puesto en evidencia déficits,insuficiencias y deudas que se deben pagar pronto, antes que los grandes proyectos que se desarrollarán en el futurosufran atrasos o encarecimientos innecesarios.

Al analizar el documento en ese contexto, hay una desigual distribución de los problemas e insuficiencias. En efecto,de los 11 puntos de la norma, los temas se concentran en cuatro áreas: el alcance (Punto 1), las disposiciones deaplicación general (Punto 4) y los aspectos relacionados con el diseño, especialmente las estructuras de acero (Punto8) y las de hormigón (Punto 9).

Puede parecer paradojal, pero los puntos del análisis sísmico (Punto 5), los procedimientos para estimardeformaciones (Punto 6), el tratamiento de elementos secundarios y equipos montados sobre estructuras (Punto 7),rara vez han sido motivo de controversias o malos entendidos.

El Punto 2 de referencias normativas, potencial zona de discrepancia por la velocidad con que se liberan las nuevasversiones de los documentos, ha ido actualizándose con facilidad, acogiendo las nuevas ediciones, la mayoría conmás cambios de forma que de fondo.

El amplio punto 11 (Estructuras específicas) no ha sido motivo de conflictos en parte debido a que 11 de sus 13apartados solo entregan recomendaciones generales y sencillas de cumplir.

Solo los puntos 11.2 (Naves de acero livianas) y 11.8 (Estanques verticales apoyados en el suelo) tienen mayorextensión y requerimientos, pero ambos han permitido diseños sin grandes complicaciones y sus actualizaciones hansido relativamente simples.

4.2 Revisión del documento

Punto 1 Alcance y campo de aplicaciónEn el Alcance se establece que la norma trata de las instalaciones industriales, incluyendo las estructuras y losequipos con sus anclajes. La amplitud del alcance queda expresada en la indicación “recintos con vocaciónindustrial”, sin embargo el mismo punto excluye las centrales nucleares, las centrales de energía eléctrica y líneas detransmisión, los puentes y en general las estructuras enterradas o con fuerte componente geotécnica (presas, murosde contención, etc.).

De esas exclusiones algunas tienen un sentido lógico, como las centrales nucleares, en mérito a sus característicasparticulares.

Sin embargo no queda claro el motivo de excluir las centrales de energía eléctrica, que de hecho están siendodiseñadas de acuerdo con esta norma, complementada con especificaciones particulares.

Por otra parte, si bien es razonable excluir aquellas estructuras de naturaleza geotécnica como las presas y tranques

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de relave, dejar fuera del alcance los ductos enterrados, los túneles construidos en suelo y las estructuras quereciben empujes, como los chancadores enterrados o las salas de alimentación bajo pilas de mineral, generan vacíospara el diseño de elementos de gran importancia que deberían quedar cubiertos.

Punto 4 Disposiciones de aplicación general

a- Criterio de aplicabilidad de algunas exigenciasEn consideración a que las prescripciones normativas son mandatorias, es preciso establecer el alcance del mandatoya que en numerosas partes se incluyen exigencias cuyo objeto son estructuras o componentes relevantes, sea porsu tamaño, su peso o su importancia dentro del sistema estructural.

Sin embargo en las instalaciones industriales existe un número alto de estructuras menores, sin grandes cargas ycuyo desempeño sísmico es bueno a priori porque el sismo les exige muy poco.

Son ejemplos de esto las cajas de escaleras, las plataformas menores, los soportes de ductos y/o escalerillaseléctricas, las fundaciones de bombas y los equipos robustos cuyo desempeño queda controlado por sus esfuerzosde operación.

En el escenario rigorista y apegado al texto, la aplicación, muchas veces ciega, de la norma, lleva a diseñosexagerados, desproporcionados y fuente de justas críticas al proyecto.

Ya que el diseño exegético es poco compatible con el escenario judicializado, es preciso incluir en el texto algunasdisposiciones liberalizando el diseño de esas estructuras menores.

b- Criterios de salida para las exigencias.Es frecuente encontrar estructuras que por sus exigencias geométricas o de operación, no pueden cumplir algunasdisposiciones normativas, sin embargo es posible proporcionarles amplios márgenes de sobrerresistencia.

Esa es la situación de numerosas estructuras diseñadas en el extranjero y que no pudiendo mejorar su disposición ogeometría, pueden ser más fuertes o ser reforzadas en Chile.

En el texto de la norma figuran, especialmente en el punto 8 (Diseño de estructuras de acero), salidas por vía de lasobrerresistencia, sin embargo ellas son puntuales y no constituyen un cuerpo completo.

En consideración a la variedad de estructuras y situaciones, sería razonable contar con un procedimiento o serie deprocedimientos que permitan salvar situaciones críticas con herramientas de esta naturaleza.

c- Combinaciones de cargasLas combinaciones de cargas entregadas en el punto 4.5 de la norma han demostrado ser útiles, pero presentanalgunas dificultades:

i- La inclusión del total del sismo vertical en conjunto con el horizontal ha incidido en un innecesario encarecimientode las fundaciones, en un escenario en que las fallas históricamente registradas son pocas o inexistentes. Se propone considerar la no simultaneidad de los valores máximos de las tres componentes.

ii- Factores de mayoración de la acción sísmica diferentes para acero y hormigón.

Se debe llegar a establecer factores comunes, posiblemente más cercanos a los del hormigón.

Punto 5 Análisis sísmicoSi bien este punto no ha sido motivo de grandes controversias, tiene aspectos que es preciso revisar:

a- Sismo vertical aplicado a fundaciones. Esta inclusión, consistente con la física del fenómeno, debe ser revisada para considerar, como se indicó arriba, la no

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ocurrencia simultánea de los máximos de las componentes.

b- Definición de la acción sísmica. Es preciso que el o los espectros de la norma sean consistentes con los de las restantes normas nacionales yespecialmente, con la futura norma específica en estudio.

c- Uso de espectros especiales.Por su ubicación, los proyectos, particularmente los mineros, se ubican en zonas alejadas y de topografía compleja,por ello es habitual contar con estudios de riesgo y espectros locales especiales. El punto 5.8.1.3 se ha aplicado con el objeto de limitar el incremento de la acción, por lo que debe ser confirmadopara evitar reducciones de la acción sísmica no justificadas, especialmente en zonas con fuerte amplificacióntopográfica local.

d- Revisión de los valores “ξ” de la Tabla 5.5. El valor de 0,05 indicado para hormigón armado no se justifica para estructuras robustas o diseñadas para limitardeformaciones por exigencias de operacionales especiales. En general se aceptan valores cercanos a 0,02 en esoscasos.

e- Revisión de los valores “R” de la Tabla 5.6. Por las mismas razones, las estructuras robustas de hormigón, como fundaciones de máquinas o diseñadas paracontrolar deformaciones, como las aporticadas para apoyar chancadores, rodillos papeleros, harneros, etc., nopueden justificar valores de “R” superiores a 2.

Punto 7 Elementos secundarios y equipos montados sobre estructurasTampoco este punto ha sido motivo de discusiones, sin embargo es necesario actualizarlo e incorporar requisitospara el uso de anclajes mecánicos y químicos, de amplio uso en equipos.

Punto 8 Disposiciones especiales para estructuras de aceroa- Relación con las Seismic Provisions de AISCLa norma cita como referente las Seismic Provisions de AISC, permitiendo como alternativa el uso de lo estipulado enel Punto 8, lo que ha sido interpretado en el sentido que para los tipos estructurales que la norma contiene, susrequerimientos son suficientes.

Es el caso de los marcos arriostrados, marcos rígidos y arriostramientos horizontales o de piso, con sus conexiones yanclajes. Para otros sistemas estructurales, la aplicación de las Seismic Provisions de AISC sería mandatoria.Esta interpretación ha sido conveniente, pero ha motivado algunas controversias, por lo que es preciso aclarar ellímite y la relación entre ambos documentos.

b- ConexionesEl diseño de las conexiones en Chile ha ido incrementando los niveles de fuerzas consideradas, desde alrededor del50% de la capacidad en los años 70, hasta el 100% de la actualidad, criterio razonable pero cuya aplicación arajatabla ha conducido al encarecimiento de las conexiones sin un similar incremento de seguridad, especialmenteen las que el sobredimensionamiento ha guiado el diseño.

Diseñar las conexiones para una fracción de la capacidad del elemento es indispensable y del todo razonable. Estohay que conservarlo. Diseñar todo para la completa capacidad, hay que revisarlo.

c- Aspectos específicosEs necesario revisar puntos redactados con demasiada inflexibilidad. Por ejemplo, el 8.3.2 que exige para cada línearesistente, diagonales en tracción que tomen más del 30% del corte.

En otros casos, la flexibilidad es excesiva. Por ejemplo en 8.3.5, el diseño de los arriostramientos en V, debería exigiruna verificación flexural del puntal.

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Punto 9 Disposiciones especiales para estructuras de hormigóna- Aplicabilidad de las exigencias del Capítulo 21 de ACI 318Actualmente la mayor parte de las estructuras de hormigón, especialmente mineras, son de tres tipos: lasfundaciones, los grandes silos y las estructuras aporticadas robustas con riguroso control de deformaciones,destinadas a soportar equipos vibratorios.

Ninguna de ellas requiere desarrollar mucha ductilidad: las aporticadas y los silos, son diseñados casi sin fisuración ylas fundaciones deberían mantenerse cuasi elásticas. En ese escenario, las exigencias del Capítulo 21 deberían serexplícitamente liberalizadas.

Particular es el caso de los pedestales que registraron daño el 27 F. Ellos deben contar con requisitos adicionales enla norma para mejorar su comportamiento incrementando su resistencia.

b- PrefabricadosLos prefabricados y sus exigencias deben ser motivo de una profunda revisión, especialmente en lo relativo a susconexiones, el diseño de naves isostáticas y sus elementos de cierre.

Punto 10 Disposiciones sobre fundacionesEs necesario aclarar el punto 10.2.2, que indica que se pueden despreciar las fuerzas de inercia de las masas pordebajo del suelo natural. ¿Las verticales también?

Punto 11 Estructuras específicasa- Grandes equipos móvilesEn las instalaciones industriales, mineras, de la celulosa y otras, es normal que existan equipos móviles: cargadores,distribuidores, sistemas de apilamiento, etc. La mayor parte de ellos se desplazan sobre rieles.

La norma exige análisis dinámico y contrapesos para evitar levantamientos, lo que no es frecuente, ya que lo usual escontar con “garras antisísmicas”, que evitan el volcamiento pero no el zapateo no lineal.

b- Estanques verticales apoyados en el sueloEstos estanques históricamente se han diseñado con API 650, lo que es recogido por la norma. La experiencia haconsiderado las actualizaciones de ese documento, sin embargo el uso de las recientes revisiones requiere ajustes,especialmente en lo relativo a la acción sísmica.

Es preciso incorporar el diseño de estanques livianos para las industrias alimenticias (vino, leche).

c- Equipos eléctricosHistóricamente se ha distinguido entre lo eléctrico de generación y distribución y las instalaciones internas de laplanta.

Esa distinción correspondía a una realidad de grandes empresas eléctricas encargas de la generación y ladistribución, que limitaban su acción hasta la S/E principal del proyecto.

La realidad actual es otra, ya con frecuencia dentro del proyecto hay generación y no faltan los casos en que lasubestación principal no solo es de entrada sino también de salida.

Es preciso revisar e integrar las estructuras eléctricas con sus aspectos y especificaciones particulares.

d- Estructuras y equipos menoresLos equipos menores no siempre son los menos importantes. En muchos casos son los críticos: bombas y todos lossistemas contra incendios, los equipos de enfriamiento, toda la gama de gabinetes eléctricos y equipos de control,todos los estanques menores, etc.

Es preciso explicitar un tratamiento que asegure los anclajes y su buen desempeño.

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5 Una deuda por pagar

La visión expuesta enfatiza en los escenarios humanos y sociales en la elaboración de la norma y la lecturacontextualizada que reduzca el margen de (mala) interpretación.

Allí esta la gran deuda: es preciso contar con un comentario orientado no solamente a entregar elementos paraentender el origen de los requisitos, sino que muestre el espíritu del diseño, especialmente necesario en estructurasde la variedad que se presentan en el mundo de la industria y la minería.

Tabla 1 – Resumen de observaciones a la norma NCh 2369.Of2003Punto Descripción Comentario

1 Alcance y campo deaplicación

Incluir instalaciones eléctricas ( generación y S/E)Incluir criterios para estructuras de contención como chancadores y salas dealimentación. Incluir ductos y túneles enterrados en suelo.

2 Referencias normativas Actualizar y establecer un procedimiento de actualización reflexiva de losdocumentos de referencia.

3 Términos, definiciones ysimbología

Sin observaciones de importancia

4 Disposiciones de aplicacióngeneral

Definir criterio de aplicabilidad de la norma en estructuras menores.Entregar salidas a requisitos normativos por medio de sobrerresistencia.Sismo vertical en combinaciones de cargas.Normalización de factores de mayoración de cargas en diseño por capacidad

5 Análisis sísmico Sismo vertical para diseño de fundaciones. Actualizar espectros en consonancia con otras normas.Revisar el punto 5.8.1 de análisis espectrales especiales.Revisar amortiguamiento y factores “R” de estructuras robustas de hormigón

6 Deformaciones sísmicas Sin grandes controversias

7 Elementos secundarios yequipos montados sobreestructuras

Requisitos para el uso de pernos de anclaje mecánicos y químicos.

8 Disposiciones especialespara estructuras de acero

Revisar la relación con AISC Seismic Provisions.Revisar requisitos para diseñar conexiones.Aspectos específicos de diagonalizaciones.

9 Disposiciones especialespara estructuras dehormigón

Revisar y liberalizar el uso del Capítulo 21 de ACI 318 en estructuras robustas yafines.Revisar el punto 9.2 de estructuras prefabricadas de hormigón.

10 Disposiciones sobrefundaciones

Sismo vertical aplicado a la masa de la fundación

11 Estructuras específicas Mejorar los puntos correspondientes a grandes equipos móviles, estanquesverticales apoyados en el suelo, equipos eléctricos y estructuras y equiposmenores. Revisar y actualizar las naves livianas. Estructuras mixtas acero-hormigón.

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6 Referencias[1] Arze E (1976): Diseño antisísmico de estructuras industriales. 2as Jornadas de ACHISINA.[2] CODELCO – Div. Chuquicamata (1983): Criterio de Diseño CD-7. (Revisiones en: 1988, 1994,1999)[3] Blume J A (1963): A Structural-Dynamic Analysis of Steel Plant Structures Subjected to the May 1960 Chilean

Earthquakes. Bulletin of the Seismological Society of America. Vol. 53[4] Flores R. (1960): Engineering Aspects of the Chilean Earthquake of May 1960. Proceedings 2nd World

Conference on Earthquake Engineering.[5] Cruz E y otros (1988): Lecciones del sismo del 3 de marzo de 1985. Depto. Ingeniería Estructural. P. Universidad

Católica de Chile[6] Monge J y otros (1986): El sismo de marzo 1985, Chile. Depto. Ingeniería Civil. Universidad de Chile[7] Flores R. (1960): An outline of Earthquake Protection Criteria for a Developing Country. Proceedings 4th World

Conference on Earthquake Engineering.[8] V.V.A.A (2012): Mw=8.8. Terremoto en Chile. Depto. Ingeniería Civil. Universidad de Chile

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