Circular Economy in High-Seismicity Andean Zones: A Circular Seismic Design Framework for Reusable Steel Moment Connections with Demountable Shear Tabs — Life Cycle Assessment and Normative Adaptation for Peru

Resumen Técnico: Marco de Diseño Sísmico Circular para Placas de Cortante Desmontables en Perú

Planteamiento del Problema
El sector de la construcción representa el 39% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero (GEI), siendo la fabricación de acero estructural responsable del 8%. En regiones de alta sismicidad como los Andes, las conexiones de momento de acero permanentes convencionales son propensas a daños irreversibles durante eventos sísmicos. Este daño genera aproximadamente 120 kg de desperdicio de acero por conexión e incurre en costos de reconstrucción equivalentes al 30–40% del valor original del edificio. Si bien los principios de la Economía Circular (EC) se han aplicado en la fabricación y la electrónica, siguen estando mayormente ausentes de los códigos de diseño sísmico debido a la percepción de una compensación entre la desmontabilidad (reutilización) y la seguridad sísmica. La investigación existente sobre conexiones desmontables se ha limitado a contextos de baja sismicidad, dejando una brecha crítica en la integración de la sostenibilidad con el desempeño sísmico para las regiones andinas, donde las aceleraciones del suelo superan rutinariamente los 0.4g.

Metodología
Este estudio propone un marco de Diseño Sísmico Circular (DSC) para conexiones de momento de acero utilizando Placas de Cortante Desmontables (DST, por sus siglas en inglés). La investigación siguió una estructura IMRyD de cuatro fases:

1. Definición del Sistema: El estudio modeló marcos resistentes a momentos de acero (SMRF) de 3 y 5 niveles diseñados para un edificio residencial en Lima, Perú (Zona Sísmica 4, Tipo de Suelo S2). Los componentes de la DST incluyeron placas de cortante de acero A36 (12 mm), pernos de alta resistencia Grado 10.9 para la transferencia de corte y pernos de extracción removibles Grado 8.8.
2. Análisis de Desempeño Sísmico: Doce modelos numéricos fueron sometidos a un análisis de historia temporal no lineal utilizando SAP2000 v23. El análisis utilizó siete registros sísmicos peruanos (Mw 7.0–8.5; PGA 0.3–0.6g) escalados al espectro de diseño E.030. El desempeño se evaluó frente a los límites de la norma E.030 para Ocupación Inmediata (IO), Seguridad de Vida (LS) y Prevención de Colapso (CP).
3. Análisis de Ciclo de Vida (ACV): Siguiendo las normas ISO 14040:2006 e ISO 14044:2006, se realizó un ACV de la cuna a la cuna utilizando OpenLCA v1.10 y la base de datos Ecoinvent 3.8. Se compararon tres escenarios: conexiones soldadas de un solo uso, conexiones atornilladas de un solo uso y conexiones DST reutilizadas tres veces. Las categorías de impacto incluyeron Potencial de Calentamiento Global (Gante), Potencial de Acidificación (PA) y Potencial de Eutrofización (PE).
4. Adaptación Normativa: El estudio propuso una modificación al Artículo 24 de la Norma de Diseño Sismoresistente E.030 de Perú para acomodar las conexiones desmontables, introduciendo específicamente un factor de reducción de resistencia al corte y definiendo límites de tiempo de extracción.

Contribuciones Clave
El estudio proporciona cuatro contribuciones primarias al campo:

1. Metodología de DSC Integrada: Un marco que aborda simultáneamente los requisitos de desempeño sísmico de la E.030 y los criterios de reutilización de la EC.
2. Cuantificación de Ciclo de Vida Completo: Un ACV de las conexiones DST a través de tres ciclos de reutilización, cuantificando los impactos ambientales bajo condiciones peruanas.
3. Validación Sísmica: Validación del desempeño utilizando registros sísmicos nativos de Perú, demostrando que las conexiones desmontables pueden soportar cargas de alta sismicidad.
4. Vía Regulatoria: Una propuesta específica para modificar la norma E.030 para permitir legalmente el uso de conexiones desmontables en Perú, incluyendo parámetros técnicos para la reducción de cortante y la verificación de capacidad residual.

Resultados

• Desempeño Sísmico: Todos los modelos cumplieron con el límite de prevención de colapso de la E.030 (θ ≤ 0.040). Las conexiones DST alcanzaron una deriva máxima entre pisos de 0.028, lo cual es un 20% menor que las conexiones permanentes soldadas (0.035). La resistencia última al momento de las conexiones DST fue de 505 kN·m (12% mayor que las conexiones soldadas), mientras que la resistencia al corte fue de 295 kN (7.8% menor que la soldada pero 13.5% por encima de la demanda de diseño).
• Fatiga y Reutilización: Los pernos de extracción demostraron una vida de fatiga de 2,450 ciclos, superando el requisito de 1,000 ciclos para el diseño sísmico. El tiempo medio de extracción fue de 1.2 horas por conexión.
• Impacto Ambiental: A lo largo de tres ciclos de reutilización, las conexiones DST redujeron el Potencial de Calentamiento Global (GWP) en un 62% en comparación con las conexiones soldadas permanentes (410 kg CO₂ eq frente a 1,080 kg CO₂ eq). Los potenciales de acidificación y eutrofización se redujeron en un 58% y 64%, respectivamente. El principal motor de la reducción fue la evitación de la nueva producción de acero.
• Análisis Económico: Para un edificio de 5 niveles en Lima, el costo inicial de las conexiones DST fue un 15% menor que las alternativas soldadas ($93,600 vs. $110,000). Durante una vida útil de diseño de 50 años, el Valor Presente Neto (VPN) de la opción DST fue un 22% mayor, impulsado por los costos de reconstrucción evitados y la reducción del tiempo de mano de obra (2.9 horas vs. 4.5 horas para la instalación).

Significancia y Afirmaciones
El artículo afirma que los principios de la economía circular y los requisitos de seguridad sísmica son compatibles en entornos andinos de alta sismicidad. Demuestra que el marco de la DST propuesto no solo cumple, sino que supera los límites de desempeño sísmico actuales, al tiempo que reduce significativamente el impacto ambiental y los costos económicos a largo plazo.

El estudio posiciona la propuesta de modificación al Artículo 24 de la norma E.030 —introduciendo un factor de reducción de resistencia al corte (φ = 0.85) para las conexiones DST y exigiendo la verificación de la capacidad residual— como una vía técnicamente fundamentada y legislativamente factible para la adopción regulatoria. Los autores sostienen que este marco sirve como un modelo replicable para otras jurisdicciones latinoamericanas de alta sismicidad (Chile, Ecuador, Colombia) que actualmente carecen de disposiciones para conexiones sísmicas desmontables.

El documento reconoce limitaciones, señalando que el análisis se restringió a edificios de hasta 5 niveles, dependió de datos de la cadena de suministro europea para el ACV (lo que introduce una posible incertidumbre) y utilizó modelado numérico para la capacidad residual en lugar de pruebas cíclicas experimentales. Se recomienda para investigaciones futuras incluir validación experimental bajo movimientos de tierra de campo cercano y validación en edificios de gran altura.