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The effects of reducing design drift limits: evidence from the field and nonlinear dynamic analyses

Este estudio combina datos de campo de más de 1.800 edificios con análisis dinámicos no lineales para demostrar que reducir los límites de deriva de diseño al 1,0% disminuye significativamente el riesgo de colapso y de daños severos tanto en los componentes estructurales como en los no estructurales sin comprometer la capacidad de deriva.

Autores originales: Liam Pledger, Reagan Chandramohan, Santiago Pujol

Publicado 2026-08-24

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CC BY 4.0

Autores originales: Liam Pledger, Reagan Chandramohan, Santiago Pujol

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Cuando el suelo se sacude durante un terremoto, los edificios no se quedan simplemente quietos ni se derrumban; se balancean. Los ingenieros miden este movimiento lateral como una deriva, que es la distancia que un piso se desplaza con respecto al que tiene debajo. Durante décadas, los códigos de edificación han establecido límites sobre cuánto se permite que crezca esta deriva, operando bajo la suposición de que si un edificio está diseñado para doblarse una cierta cantidad sin romperse, sobrevivirá. La sabiduría predominante ha sido que hacer un edificio más rígido para reducir este balanceo podría ser demasiado costoso o podría causar otros problemas, como sacudir el contenido en su interior con demasiada violencia. Sin embargo, un nuevo estudio desafía esta suposición largamente sostenida, sugiriendo que la forma más segura de proteger tanto un edificio como las personas y el equipo en su interior es diseñar estructuras significativamente más rígidas de lo que requieren los estándares actuales, siempre que se construyan con suficiente resistencia interna para soportar el estrés.

Los investigadores detrás de este trabajo, basados en la ETH Zurich y la Universidad de Canterbury, se propusieron probar si endurecer estos límites de deriva realmente mejora la seguridad. Abordaron la cuestión desde dos ángulos: analizando qué les sucedió a miles de edificios reales después de terremotos pasados y creando modelos computacionales detallados de nuevos edificios diseñados con diferentes estándares de rigidez. En el mundo real, recopilaron datos de más de 1.800 edificios de hormigón armado inspeccionados después de dieciséis terremotos diferentes en todo el mundo. Se centraron en una característica física simple: cuánta superficie de muros y columnas tenía un edificio en relación con su área de piso. En términos de ingeniería, una mayor densidad de estos soportes verticales significa que el edificio es más rígido y se balancea menos. Al comparar esta densidad con los informes de daños, encontraron un patrón claro. Los edificios con más muros y columnas, y por lo tanto menos balanceo, sufrieron muchas menos fallas catastróficas. Específicamente, las estructuras con una mayor densidad de soportes verticales tuvieron aproximadamente diez veces menos probabilidades de sufrir daños severos o colapso en comparación con aquellas con menos soportes.

El equipo también analizó los daños a menudo pasados por alto en el interior de los edificios, como techos rotos, equipos médicos dañados y particiones arruinadas. Analizaron informes de 111 hospitales en Chile tras un terremoto importante. Los resultados fueron impactantes: los hospitales construidos con marcos flexibles, que se balancean más, tuvieron diez veces más probabilidades de sufrir daños severos en sus componentes no estructurales que los hospitales construidos con muros de hormigón rígidos. Este hallazgo contradice directamente un temor común de que los edificios más rígidos sacuden su contenido con demasiada violencia. Los datos mostraron que la mayor estabilidad de los edificios rígidos protegió mejor los equipos delicados y los acabados interiores que los marcos que se balancean.

Para entender exactamente por qué sucede esto y para predecir el desempeño futuro, los investigadores recurrieron entonces a simulaciones por computadora. Diseñaron dieciséis edificios de marco de hormigón armado diferentes y dieciséis edificios de muro-marco de hormigón armado. Cada conjunto fue diseñado para cumplir con cuatro límites de deriva diferentes, que van desde un 2,5 por ciento muy flexible hasta un 1,0 por ciento muy rígido. Crucialmente, se aseguraron de que cada edificio estuviera detallado con un fuerte refuerzo de acero interno, lo que significa que incluso los edificios más rígidos tenían la misma capacidad de doblarse y absorber energía sin romperse que los más flexibles. Luego sometieron estas estructuras virtuales a fuerzas de terremoto simuladas, incluyendo sacudidas extremadamente raras y potentes que podrían ocurrir una vez cada 2.500 años.

Las simulaciones confirmaron las tendencias observadas en los datos del mundo real. Cuando el límite de diseño para el balanceo se redujo de un 2,5 por ciento a un 1,0 por ciento, el riesgo de que el edificio colapsara durante un terremoto masivo cayó por un factor de diez. Los edificios más rígidos también experimentaron menos daños severos en sus elementos estructurales y en sus pisos. Además, el estudio encontró que hacer los edificios más rígidos no aumentó las fuerzas de aceleración sentidas por el contenido en su interior, una preocupación que anteriormente había desalentado a los ingenieros de buscar diseños más rígidos. En su lugar, los edificios más rígidos mantuvieron su integridad y mantuvieron los pisos más estables.

El estudio concluye que reducir el límite de deriva de diseño permisible a un 1,0 por ciento es una forma simple y efectiva de mejorar drásticamente la seguridad sísmica. Este enfoque reduciría significativamente el riesgo de colapso y de daños estructurales severos, además de proteger el valioso contenido y los elementos no estructurales dentro del edificio. La evidencia sugiere que el supuesto compromiso entre rigidez y seguridad es un error de concepto; al diseñar edificios para que sean más rígidos sin comprometer su resistencia interna, los ingenieros pueden crear estructuras mucho más resilientes al violento movimiento de la tierra.

Resumen Técnico: Los Efectos de la Reducción de los Límites de Deriva de Diseño

Planteamiento del Problema

La comunidad de la ingeniería sísmica ha debatido durante mucho tiempo los compromisos entre la rigidez estructural y el desempeño. Si bien la evidencia anecdótica y los reconocimientos de campo pasados sugieren que las estructuras más rígidas (aquellas con menores demandas de deriva) sufren menos daños, existe una percepción predominante de que reducir los límites de deriva de diseño es económicamente prohibitivo debido al aumento de los costos de construcción o las posibles pérdidas. Además, un contraargumento común postula que las estructuras más rígidas, al atraer mayores cortantes en la base y aumentar las aceleraciones de piso, pueden causar mayores daños a los componentes no estructurales "sensibles a la aceleración" (por ejemplo, equipos médicos, techos, servicios mecánicos).

Este estudio aborda la falta de evidencia cuantitativa que respalde la eficacia de reducir los límites de deriva de diseño sin comprometer la capacidad de deriva estructural. Busca determinar si reducir el límite de deriva de diseño (por ejemplo, del 2.5% al 1.0%) mejora el desempeño sísmico al reducir el riesgo de colapso y de daños severos tanto en elementos estructurales como no estructurales.

Metodología

La investigación emplea un enfoque dual, combinando evidencia de campo cuantitativa con simulaciones numéricas rigurosas.

1. Análisis de Evidencia de Campo

Los autores recopilaron datos de 1,705 edificios de concreto reforzado (RC) en 16 terremotos diferentes (que van desde el terremoto de Tokachi-oki de 1968 hasta el terremoto de Hualien de 2024).

Proxy de Rigidez: El estudio utiliza el Índice de Prioridad (PI), una métrica desarrollada por Hassan y Sozen (1997), que combina el Índice de Muros (WI) y el Índice de Columnas (CI). El PI sirve como un proxy para la rigidez estructural y el límite relativo de deriva de diseño.
Clasificación de Daños: Los edificios se categorizaron según la severidad del daño (daño severo definido como grietas por cortante, falla estructural local o colapso).
Estudio de Caso de Daños No Estructurales: Se analizó un conjunto de datos específico de 111 edificios de hospitales relevados tras el terremoto de Chile de 2010. Este comparó estructuras de marcos de RC (típicamente más flexibles) frente a estructuras de muros de RC (típicamente más rígidas) en relación con el daño a componentes no estructurales y "sensibles a la aceleración".

2. Análisis Dinámicos No Lineales

Para aislar el efecto de los límites de deriva de otras variables, los autores realizaron análisis numéricos en 32 estructuras hipotéticas (16 marcos de RC y 16 estructuras de marco-muro de RC).

Variables de Diseño: Las estructuras fueron diseñadas para alturas de 5, 10, 15 y 20 niveles. Cada altura fue diseñada para cuatro límites de deriva diferentes: 2.5%, 2.0%, 1.5% y 1.0%.
Parámetros Controlados: Todas las estructuras fueron diseñadas para un sitio en Wellington, Nueva Zelanda (Clase de Suelo III), utilizando el modelo de peligro sísmico de 2022. Crucialmente, la capacidad de deriva de cada estructura se mantuvo constante asegurando un refuerzo de confinamiento y detallado adecuados. Esto aseguró que cualquier diferencia de desempeño se debiera a la demanda (límite de deriva) y no a una reducción en la capacidad.
Simulación: Se realizaron análisis dinámicos no lineales (Análisis Dinámico Incremental) utilizando OpenSees. Los modelos incorporaron efectos P-Delta, amortiguamiento de Rayleigh y comportamiento histérico (modelo Takeda para marcos; MVLEM para muros).
Métricas de Desempeño: El estudio evaluó la probabilidad de colapso ( $P(C|MCE)$ ) para un movimiento del suelo con un periodo de retorno de 2,500 años, así como las aceleraciones máximas de piso y las demandas de deriva de piso para periodos de retorno de 100 y 500 años.

Principales Contribuciones y Resultados

1. Evidencia de Campo: Correlación entre Rigidez y Daño

El análisis de los 1,705 edificios relevados reveló una fuerte correlación inversa entre la rigidez estructural (Índice de Prioridad) y la frecuencia de daños severos:

Daño Estructural: Los edificios con un Índice de Prioridad (PI) mayor a 0.3% sufrieron daños severos en una tasa de solo el 12%. En contraste, los edificios con un PI menor a 0.1% sufrieron daños severos o colapso en una tasa del 64%.
Índice de Muros: Las estructuras con un Índice de Muros mayor a 0.2% fueron aproximadamente 10 veces menos propensas a sufrir daños severos en comparación con aquellas con un Índice de Muros inferior a 0.1%.
Tendencias Regionales: Países con límites de deriva históricamente más estrictos o mayor densidad de muros (por ejemplo, Japón y Chile, con PIs promedio de 0.64% y 0.37% respectivamente) exhibieron tasas de daño significativamente menores en comparación con regiones con métricas de rigidez más bajas (por ejemplo, Nepal, Ecuador, México).

2. Daño No Estructural: Marcos vs. Muros

El análisis de los edificios hospitalarios chilenos desafió la noción de que las estructuras más rígidas causan más daños sensibles a la aceleración:

Daño No Estructural: Los edificios de marcos de RC fueron 10 veces más propensos a sufrir daños no estructurales severos (50% de los marcos) en comparación con las estructuras de muros de RC (5% de los muros).
Componentes Sensibles a la Aceleración: El daño a equipos y servicios ocurrió en el 42% de los edificios de marcos de RC, pero solo en el 11% de los edificios de muros de RC. El daño severo a estos componentes fue del 27% para los marcos frente al 5% para los muros.
Conclusión: Los datos de campo sugieren que los edificios de marcos de RC son más vulnerables al daño de componentes no estructurales, independientemente de si estos componentes son "sensibles a la deriva" o "sensibles a la aceleración". Los autores señalan que, aunque se argumenta frecuentemente que las estructuras más rígidas aumentan las demandas de aceleración, ningún estudio ha cuantificado previamente un aumento o disminución en el daño a componentes no estructurales relacionado con estructuras más rígidas mediante pruebas experimentales o encuestas post-terremoto.

3. Análisis Numérico: Riesgo de Colapso y Desempeño

Los análisis dinámicos no lineales confirmaron las observaciones de campo con variables controladas:

Reducción de Riesgo: Reducir el límite de deriva de diseño de 2.5% a 1.0% resultó en una reducción del riesgo de colapso o daño estructural severo por un factor de aproximadamente 10.
Demandas de Deriva: Las estructuras diseñadas para límites de deriva menores experimentaron demandas de deriva de piso máxima significativamente menores bajo movimientos frecuentes del suelo (periodos de retorno de 100 y 500 años).
Aceleración: Si bien las aceleraciones de piso generalmente aumentaron con la rigidez, el estudio destaca que la reducción en el daño inducido por la deriva a los componentes no estructurales es un factor crítico de desempeño, aunque la cuantificación específica de los compromisos de daño relacionados con la aceleración sigue siendo un área donde la evidencia cuantitativa previa era escasa.
Consistencia de Capacidad: El estudio demostró que es posible diseñar estructuras más rígidas (límites de deriva más bajos) sin comprometer la capacidad de deriva, siempre que el refuerzo de confinamiento y el detallado se incrementen adecuadamente.

Significancia y Reivindicaciones

El artículo afirma que reducir los límites de deriva de diseño es una estrategia simple y efectiva para mejorar el desempeño sísmico. Los autores argumentan que:

Reducción de Riesgo: Bajar el límite de deriva de diseño al 1.0% puede reducir el riesgo de colapso o daño estructural severo por un factor de aproximadamente 10 en comparación con los límites estándar de 2.5%.
Protección Holística: Contrario a la creencia de que las estructuras más rígidas dañan los componentes no estructurales, la evidencia sugiere que limitar la deriva reduce el daño tanto a los elementos estructurales como a los no estructurales. El estudio señala que, si bien existe el argumento de que las estructuras más rígidas aumentan las demandas de aceleración, ningún estudio previo ha cuantificado el aumento o disminución resultante en el daño a los componentes no estructurales; sin embargo, la evidencia de campo presentada indica que las estructuras más rígidas (muros de RC) sufrieron significativamente menos daños tanto en los componentes sensibles a la deriva como en los sensibles a la aceleración que las estructuras más flexibles (marcos de RC).
Factibilidad: El artículo señala que el costo inicial de las estructuras fue cuantificado, mientras que la investigación sobre la pérdida sísmica y el costo del ciclo de vida para estructuras diseñadas con diferentes límites de deriva se detalla en una tesis separada de Pledger (2026).

Los autores conclen que las disposiciones actuales de los códigos que permiten límites de deriva más altos pueden aumentar inadvertidamente el riesgo sísmico y que los métodos prescriptivos para limitar la deriva deben ser revisados para alinearse con el objetivo de un diseño sísmico de bajo daño.