Conversatorio virtual
ENFOQUE ESTRUCTURAL DE BARRERAS
VEHICULARES EN EDIFICACIONES: ¿CÓMO
ESTAMOS Y QUÉ PODEMOS HACER?
Organizado por
Moderador
Iván Córdoba Arango
I.C., Esp. Estructuras
Medellín, enero de 2021
ACLARACIÓN
La información, conceptos y criterios
contenidos en estas notas (y/o expuestos
en esta presentación) no necesariamente
representan la posición de la Asociación
de Ingenieros Estructurales de Antioquia
ni comprometen, de ninguna manera, su
buen nombre y honorabilidad.
CONTENIDO
I. Antecedentes
II. Objetivos de la presentación
III. Física básica de impactos y desempeño de muros de mampostería
ante cargas de impacto
IV. Normas/ guías técnicas/ estándares (nacionales e internacionales)
V. Ejemplo conceptual de análisis y diseño de muros para que actúen
como barreras vehiculares según NSR-10
VI. Discusión abierta: alternativas para mejorar protección contra
impactos vehiculares en edificaciones
CONTENIDO
I. Antecedentes
II. Objetivos de la presentación
III. Física básica de impactos y desempeño de muros de mampostería
ante cargas de impacto
IV. Normas/ guías técnicas/ estándares (nacionales e internacionales)
V. Ejemplo conceptual de análisis y diseño de muros para que actúen
como barreras vehiculares según NSR-10
VI. Discusión abierta: alternativas para mejorar protección contra
impactos vehiculares en edificaciones
I. ANTECEDENTES
Trazabilidad de accidentes ligados a barreras vehiculares
Octubre de 2007
Fotos: cortesía Ing. Fredy Castañeda
Enero de 2018
https://www.elcolombiano.com/antioquia/camioneta-atraviesamuro-en-envigado-sur-del-valle-de-aburra-DE7969757
I. ANTECEDENTES
Trazabilidad de accidentes ligados a barreras vehiculares
Febrero de 2018
https://www.elcolombiano.com/antioquia/vehiculo-en-envigado-quedaa-punto-de-caer-al-vacio-EF8171530
Noviembre de 2018
https://analisisurbano.org/arbol-evito-que-microbuseta-se-fueraal-vacio-en-una-urbanizacion-de-envigado/
I. ANTECEDENTES
Trazabilidad de accidentes ligados a barreras vehiculares
Agosto de 2019
https://www.elcolombiano.com/antioquia/movilidad/carro-cayo-desdeun-cuarto-piso-en-los-colores-dos-muertas-IK11393281
Agosto de 2019
https://noticias.caracoltv.com/antioquia/otro-conductor-muere-enantioquia-en-insolito-accidente-al-caer-en-su-carro-desde-un-cuarto-piso
I. ANTECEDENTES
Trazabilidad de accidentes ligados a barreras vehiculares
Octubre de 2019
https://www.minuto30.com/medellin/fotos-que-susto-un-carro-casi-secae-del-parqueadero-en-pleno-centro-de-medellin/910226/
Enero de 2021
https://www.elcolombiano.com/antioquia/movilidad/accidente-fatal-por-carro-que-cayodesde-sexto-piso-del-parquedero-de-la-clinica-el-rosario-de-medellin-LI14490083
I. ANTECEDENTES
Trazabilidad de accidentes ligados a barreras vehiculares
Enero de 2021
https://www.minuto30.com/antioquia/tremendo-golpe-conductoratraveso-una-pared-con-su-vehiculo-en-caldas/1188224/
CONTENIDO
I. Antecedentes
II. Objetivos de la presentación
III. Física básica de impactos y desempeño de muros de mampostería
ante cargas de impacto
IV. Normas/ guías técnicas/ estándares (nacionales e internacionales)
V. Ejemplo conceptual de análisis y diseño de muros para que actúen
como barreras vehiculares según NSR-10
VI. Discusión abierta: alternativas para mejorar protección contra
impactos vehiculares en edificaciones
II. OBJETIVOS DE LA PRESENTACIÓN
Objetivo general
Ilustrar la problemática asociada a las barreras vehiculares en edificaciones en Colombia.
Objetivos específicos
Exponer algunos conceptos básicos de la física asociada al impacto de vehículos contra
barreras vehiculares.
Comparar lineamientos dados en estándares y guías técnicas nacionales en internacionales,
en términos de fuerzas, para el diseño estructural de barreras vehiculares.
Realizar un conversatorio para identificar posibles soluciones a la problemática de barreras
vehiculares en edificaciones en Colombia.
CONTENIDO
I. Antecedentes
II. Objetivos de la presentación
III. Física básica de impactos y desempeño de muros de mampostería
ante cargas de impacto
IV. Normas/ guías técnicas/ estándares (nacionales e internacionales)
V. Ejemplo conceptual de análisis y diseño de muros para que actúen
como barreras vehiculares según NSR-10
VI. Discusión abierta: alternativas para mejorar protección contra
impactos vehiculares en edificaciones
III. FÍSICA BÁSICA DE IMPACTOS Y DESEMPEÑO
DE MUROS ANTE CARGAS DE IMPACTO
Fuerzas de impacto (vehicular)
Eurocódigo 1, parte 1-7 [CEN, 2006]
- El impacto es un fenómeno de interacción entre
un objeto en movimiento y una estructura,
donde la energía cinética del objeto en
movimiento es transformada, principalmente, en
forma súbita en energía de deformación.
- Variables básicas en el fenómeno:
❑ Velocidad de impacto (del objeto que
impacta)
❑ Masa del objeto que impacta
❑ Propiedades mecánicas del objeto que
impacta y del objeto impactado
❑ Ángulo de impacto
Simulación de impacto vehicular en columna de acero
Al-Thairy & Wang, 2014. Simplified FE vehicle model for assessing the vulnerability of axially compressed steel
columns against vehicle frontal impact
- El impacto se caracteriza como “duro” (hard
impact) o como “suave” (soft impact) :
❑ Impacto duro: la energía es disipada
principalmente por el objeto que impacta.
❑ Impacto suave: la estructura es diseñada
para absorber la energía de impacto
III. FÍSICA BÁSICA DE IMPACTOS Y DESEMPEÑO
DE MUROS ANTE CARGAS DE IMPACTO
Fuerzas de impacto (vehicular)
Fuerza, F [kN]
𝑣
Impulso
667
Aproximación
𝑚
𝑡=0
445
Segunda ley de Newton
∆𝑣
𝐹 =𝑚∙𝑎 =𝑚∙
∆𝑡
Cambio de
222
momento (lineal)
0
25
50
75
Tiempo, t [× 10−3 s]
Fuerzas en una columna debidas a un impacto vehicular
[Adaptado de NIST, 2013. Best Practices for Reducing the
Potential for Progressive Collapse in Buildings]
𝐹 ∙ ∆𝑡 = 𝑚 ∙ ∆𝑣
Impulso
𝐽 = න 𝐹 ∙ 𝑑𝑡
Suponiendo una masa de
colisión 𝑚 = 1500 kg, ¿cuál
sería la velocidad de impacto
considerando el impulso de la
gráfica mostrada?
667 kN 75 × 10−3 s
𝐽 = න 𝐹 ∙ 𝑑𝑡 =
2
𝐽 = 25.01 kN ∙ s
𝐽
25.01 kN ∙ s
=
𝑚
1.50 Mg
𝐽
m
km
𝑣 = = 16.67 = 60
𝑚
s
h
𝑣=
Si 𝑚 = 2500 kg, 𝑣 = 10
m
s
= 36
km
h
III. FÍSICA BÁSICA DE IMPACTOS Y DESEMPEÑO
DE MUROS ANTE CARGAS DE IMPACTO
Mampostería no reforzada sometida a impacto (bajas velocidades)
Montaje de experimento
Gilbert et al., 2002. The performance of unreinforced masonry walls subjected to low-velocity impacts: experiments
Longitudes de muros ensayados: 4.30 m – 9.15 m
Anchos de muros: 200 mm – 440 mm
III. FÍSICA BÁSICA DE IMPACTOS Y DESEMPEÑO
DE MUROS ANTE CARGAS DE IMPACTO
Mampostería no reforzada sometida a impacto (bajas velocidades)
Jap = 2.77 kN·s; Fpeak ≈ 110 kN
Jap = 2.77 kN·s; Fpeak ≈ 160 kN
Jap = 2.66 kN·s; Fpeak ≈ 130 kN
Jap = 2.66 kN·s; Fpeak ≈ 110 kN
Jap = 4.83 kN·s; Fpeak ≈ 320 kN
Jap = 5.04 kN·s; Fpeak ≈ 180 kN
Jap = 9.55 kN·s; Fpeak ≈ 330 kN
Jap = 2.27 kN·s; Fpeak ≈ 420 kN
Jap = 2.87 kN·s; Fpeak ≈ 130 kN
Jap = 7.49 kN·s; Fpeak: data lost
Patrones de agrietamiento observados en pruebas de laboratorio
Gilbert et al., 2002. The performance of unreinforced masonry walls subjected to low-velocity impacts: experiments
Jap = 7.49 kN·s; Fpeak ≈ 256 kN
Para tener en mente:
Si 𝑚 = 1500 kg y 𝐽 = 9.55 kN ∙ s, 𝑣 = 6.4 𝑚Τ𝑠 ≈ 23 kmΤh
Si 𝑚 = 2500 kg y 𝐽 = 9.55 kN ∙ s, 𝑣 = 3.8 𝑚Τ𝑠 ≈ 14 kmΤh
Si 𝑚 = 1500 kg y 𝐽 = 7.49 kN ∙ s, 𝑣 = 5.0 𝑚Τ𝑠 ≈ 18 kmΤh
Si 𝑚 = 2500 kg y 𝐽 = 7.49 kN ∙ s, 𝑣 = 3.0 𝑚Τ𝑠 ≈ 11 kmΤh
Si 𝑚 = 1500 kg y 𝐽 = 2.66 kN ∙ s, 𝑣 = 1.8 𝑚Τ𝑠 ≈ 6.4 kmΤh
Si 𝑚 = 2500 kg y 𝐽 = 2.66 kN ∙ s, 𝑣 = 1.1 𝑚Τ𝑠 ≈ 3.8 kmΤh
III. FÍSICA BÁSICA DE IMPACTOS Y DESEMPEÑO
DE MUROS ANTE CARGAS DE IMPACTO
Mampostería no reforzada sometida a impacto (bajas velocidades)
Modos de falla
Gilbert et al., 2002. The performance of unreinforced masonry walls subjected to low-velocity impacts: experiments
III. FÍSICA BÁSICA DE IMPACTOS Y DESEMPEÑO
DE MUROS ANTE CARGAS DE IMPACTO
Mampostería no reforzada sometida a impacto (bajas velocidades)
Desplazamiento fuera del plano [mm]
Burnett et al., 2007. The performance of unreinforced masonry walls subjected to low-velocity impacts: Finite element analysis
III. FÍSICA BÁSICA DE IMPACTOS Y DESEMPEÑO
DE MUROS ANTE CARGAS DE IMPACTO
Cargas estáticas y dinámicas
Tasas de deformación unitaria para varios tipos de cargas
[Riisgaard et al., 2007. Dynamic increase factors for high performance concrete
in compression using split Hopkinson pressure bar]
“Para tasas de deformación unitaria menores que 10-1 se
pueden usar cargas estáticas equivalentes” [fib, 2013. fib
model codel for concrete structures 2010]
“Carga estática equivalente: representación
alternativa para una fuerza dinámica que
incluye la respuesta dinámica de la
estructura” [CEN, 2006. Eurocode 1, Part 1-7]
CONTENIDO
I. Antecedentes
II. Objetivos de la presentación
III. Física básica de impactos y desempeño de muros de mampostería
ante cargas de impacto
IV. Normas/ guías técnicas/ estándares (nacionales e internacionales)
V. Ejemplo conceptual de análisis y diseño de muros para que actúen
como barreras vehiculares según NSR-10
VI. Discusión abierta: alternativas para mejorar protección contra
impactos vehiculares en edificaciones
IV. NORMAS/ GUÍAS TÉCNICAS/ ESTÁNDARES
(NACIONALES E ITERNACIONALES)
Ámbito nacional
Reglamento
Colombiano de
Construcción Sismo
Resistente NSR-10
Norma Colombina
de Diseño de
puentes
CCP-2014
Tienen fuerza legal y son de obligatorio
cumplimiento para edificaciones o
puentes, según corresponda, en el
territorio colombiano.
¡Contienen requisitos mínimos!
En esta presentación se hará énfasis en
los requisitos para edificaciones
(Reglamento NSR-10).
[La sección 13 del CCP-2014 está dedicada a barandas]
IV. NORMAS/ GUÍAS TÉCNICAS/ ESTÁNDARES
(NACIONALES E ITERNACIONALES)
Ámbito nacional – Reglamento NSR-10
IV. NORMAS/ GUÍAS TÉCNICAS/ ESTÁNDARES
(NACIONALES E ITERNACIONALES)
Ámbito nacional – Reglamento NSR-10
CAPÍTULO B.4 (CARGAS VIVAS)
B.4.2.2 – EMPUJE EN PASAMANOS Y ANTEPECHOS –
...
“Los sistemas de barreras para vehículos, en el caso de automóviles de
pasajeros, se deben diseñar para resistir una única carga de 30 kN (3000
kgf) aplicada horizontalmente en cualquier dirección al sistema de
barreras, y debe tener anclajes o uniones capaces de transferir esta carga
a la estructura. Para el diseño del sistema, se debe suponer que la carga
va a actuar a una altura mínima de 0.5 m por encima de la superficie del
piso o rampa sobre un área que no exceda 0.3 m de lado, y no es
necesario suponer que actuará conjuntamente con cualquier carga para
pasamanos o sistemas de protección especificada en los párrafos
precedentes. Las cargas indicadas no incluyen sistemas de barreras en
garajes para vehículos de transporte público y camiones; en estos casos
se deben realizar los análisis apropiados que contemplen estas
situaciones”
Idealización B.4.2.2, NSR-10 (barreras para vehículos)
IV. NORMAS/ GUÍAS TÉCNICAS/ ESTÁNDARES
(NACIONALES E ITERNACIONALES)
Ámbito internacional (solo como referencia) – Estados Unidos: IBC
Desarrollo histórico de los lineamientos del IBC para barreras vehiculares
[Iraheta et al., 2009. High bumpers prompt change in IBC Code. National Parking Association]
❑ Varios accidentes en estructuras de parqueadero entre 1960 y 1970.
❑ Los modelos de códigos usados en esas fechas (UBC, Boca Code, SBC) no tenían provisiones específicas para
el diseño de sistemas de barreras en estructuras de parqueadero.
❑ Para abordar esa problemática, se conformó un comité liderado por el PCC (Parking Consultants Council) y se
desarrolló el documento “Recommended Building Code Provisions for Open Parking Structures” (se publicó,
finalmente, en 1980).
❑ El comité PCC tuvo acceso a pruebas experimentales que se llevaron a cabo en la Universidad de Michigan a
mediados de los años 70.
➢ Objetivo de las pruebas: establecer estándares para la fabricación de sistemas de parachoques (bumpers)
para un vehículo chocando en forma perpendicular a un muro con una velocidad máxima de 5 mph (8 km/h),
de forma que experimentara muy poco daño, o ninguno.
➢ El peso máximo de un vehículo de pasajeros en ese tiempo era, aproximadamente, 5000 lb (2268 kg).
❑ Basados en esa información, el Departamento de Ingeniería Estructural de la Universidad de Michigan desarrolló
un criterio para el diseño de sistemas de barreras:
➢ Carga última estática puntual horizontal de 10000 lb (44.5 kN), localizada a 18 pulgadas (457 mm) del piso.
Desde entonces, se ha utilizado un lenguaje similar en diferentes modelos de códigos para edificaciones,
cambiando, en algunos casos, la carga última de 10000 lb a una carga de servicio de 6000 lb (27.6 kN).
IV. NORMAS/ GUÍAS TÉCNICAS/ ESTÁNDARES
(NACIONALES E ITERNACIONALES)
Ámbito internacional (solo como referencia) – Resumen
País/
región
Estándar
Magnitud fuerza
equivalente
(horizontal)
Comentario
En cualquier dirección
ℎ: mínimo 460 mm
Estados
𝐴 = 305 mm × 305 mm
Unidos
En cualquier dirección
IBC 2018
26.7 kN
Considera vehículos diferentes de buses y camiones (para estos
ℎ: entre 460 mm y 686 mm
ASCE/SEI 7-16
(6000 lb)
se debe acudir a la AASHTO LRFD Bridge Design Specification)
𝐴 = 305 mm × 305 mm
50 kN
Vehículos con 𝑚v ≤ 3500 kg (impacto “duro” [hard impact])
Dirección de viaje (se deben
EN 1991-1-7:2006
considerar cargas
150 kN
Vehículos con 𝑚v > 3500 kg (impacto “duro”)
perpendiculares a la dirección
Enfoque energético para impacto “duro”
𝐹
=
𝑣
𝑘
∙
𝑚
𝑚𝑎𝑥
𝑟
v
Europa
de viaje no necesariamente
EN 1991-1-7:2006
𝑣𝑟 : velocidad del objeto que impacta
actuando en forma simultánea)
Apéndice C
∆𝑡 = 𝑚v Τ𝑘
𝑘: rigidez equivalente del objeto que impacta
ℎ = 500 mm
(informativo)
0.5𝑚 ∙ 𝑣𝑟 2 ≤ 𝐹𝑜 ∙ 𝑦𝑜 Enfoque energético para impacto “suave” (soft impact)
𝐴 = 250 mm × 150 mm
30 kN
Vehículos con 𝑚v ≤ 2500 kg (áreas de tráfico liviano)
ℎ = 500 mm para tráfico liviano
Australia y
40 kN
Vehículos con 2500 kg < 𝑚v ≤ 10000 kg (áreas de tráfico medio) ℎ = 1000 mm para tráfico medio
Nueva AS/NZS 1170.1:2002
Barreras para vehículos con 𝑚 ≤ 2500 kg ubicadas al final de una Distribuida sobre una distancia
Zelanda
240 kN
rampa recta de más de 20 m de longitud (trayectoria descendente)
de 1500 mm
𝑚v : masa bruta del vehículo
IBC 2006
ASCE/SEI 7-05
26.7 kN
(6000 lb)
Considera vehículos diferentes de buses y camiones (para estos
se debe diseñar según un método aprobado que contenga
provisiones para barandas de tráfico)
Punto/ zona de aplicación
IV. NORMAS/ GUÍAS TÉCNICAS/ ESTÁNDARES
(NACIONALES E ITERNACIONALES)
Ámbito internacional (solo como referencia) – ASTM E695
https://www.youtube.com/watch?v=IZBhPV44kyU&ab_chan
nel=NationalGypsum
NCMA, 2006. STRUCTURAL
TESTING OF CONCRETE MASONRY
ASSEMBLAGES TEK 18-06. National
Concrete Masonry Association
CONTENIDO
I. Antecedentes
II. Objetivos de la presentación
III. Física básica de impactos y desempeño de muros de mampostería
ante cargas de impacto
IV. Normas/ guías técnicas/ estándares (nacionales e internacionales)
V. Ejemplo conceptual de análisis y diseño de muros para que actúen
como barreras vehiculares según NSR-10
VI. Discusión abierta: alternativas para mejorar protección a través de
barreras vehiculares
V. EJEMPLO CONCEPTUAL DE ANÁLISIS Y DISEÑO
DE MUROS PARA QUE ACTÚEN COMO BARRERAS
VEHICULARES SEGÚN NSR-10
Muro de concreto en voladizo – Líneas de cedencia
Hirsch, 1978. Analytical Evaluation of Texas Bridge Rails to Contain Buses and Trucks. Research Study
TTI-2-5-78-230-2. Texas Transportation Institute
-
-
Análisis por líneas de fluencia
Se asume un patrón de líneas de fluencia de forma que se produzca un
mecanismo.
Para ese mecanismo de falla, se determinan los parámetros geométricos que
definen la localización exacta y orientación de las líneas de fluencia.
también la relación entre las cargas aplicadas
Se resuelve la relación entre las cargas aplicadas y los momentos resistentes.
Se utiliza para el método de resistencia (última)
𝐻: height of wall
𝐿: critical length of wall failure
𝑤ℓ: total ultimate load capacity of walls
ℓ: length of distributed impact load
𝑀𝑏 : ultimate moment capacity of beam at top wall [nota: si no existe viga, 𝑀𝑏 = 0]
𝑀𝑤 : ultimate moment capacity of wall per length of wall height [nota: la provee el refuerzo
horizontal]
𝑀𝑐 : ultimate moment capacity of wall per length of wall length [nota: la provee el refuerzo
vertical]
V. EJEMPLO CONCEPTUAL DE ANÁLISIS Y DISEÑO
DE MUROS PARA QUE ACTÚEN COMO BARRERAS
VEHICULARES SEGÚN NSR-10
Muro de mampostería en voladizo – Líneas de cedencia
Gilbert, 2002. The performance of URW subjected to low velocity impacts - mechanism analysis
V. EJEMPLO CONCEPTUAL DE ANÁLISIS Y DISEÑO
DE MUROS PARA QUE ACTÚEN COMO BARRERAS
VEHICULARES SEGÚN NSR-10
Muro en voladizo – Análisis simplificado
Carga última
(30 kN)×1.6 = 48 kN
Fintel, 1985. Handbook of concrete Engineering. New York
Carga de
servicio
Carga de
servicio
𝑀𝑢 =
1.6 × 30 𝑘𝑁 ∙ 0.50 𝑚
= 18.5 𝑘𝑁 ∙ 𝑚Τ𝑚
1.30 𝑚
Carga de
servicio
𝑉𝑢 = 48 𝑘𝑁
CONTENIDO
I. Antecedentes
II. Objetivos de la presentación
III. Física básica de impactos y desempeño de muros de mampostería
ante cargas de impacto
IV. Normas/ guías técnicas/ estándares (nacionales e internacionales)
V. Ejemplo conceptual de análisis y diseño de muros para que actúen
como barreras vehiculares según NSR-10
VI. Discusión abierta: alternativas para mejorar protección a través de
barreras vehiculares