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Effect of Bracing Configuration on the Lateral Response of Multi- Storey Steel Buildings under Wind Loading: A Comparative Study Using Tekla Structures

Este estudio utiliza Tekla Structures para demostrar que, entre tres configuraciones de arriostramiento concéntrico para un edificio de acero de diez plantas bajo cargas de viento de ASCE 7–16, el arriostramiento en X proporciona la rigidez lateral superior y la deriva mínima en comparación con los sistemas de arriostramiento en V invertida y en K.

Autores originales: Mohamed Abdalla Eltayeb Hassan, Mohammed Awad Fadlelseed

Publicado 2026-09-15

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CC BY 4.0

Autores originales: Mohamed Abdalla Eltayeb Hassan, Mohammed Awad Fadlelseed

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

Los edificios altos de acero son como esqueletos gigantes parados contra el cielo y, aunque deben soportar su propio peso, se enfrentan a un oponente más implacable: el viento. A medida que una estructura se eleva, la fuerza del aire que empuja contra ella aumenta, tratando de doblar el edificio lateralmente. Si un edificio se balancea demasiado, incluso si no colapsa, la experiencia se vuelve incómoda para las personas en su interior, y las paredes o ventanas podrían agrietarse. Para detener este balanceo, los ingenieros añaden una capa de soporte oculta llamada arriostramiento. Piense en estos refuerzos como barras diagonales que convierten un rectángulo flexible en un triángulo rígido, haciendo que toda la estructura sea mucho más robusta. Sin embargo, no existe una forma única perfecta para estas barras. Los ingenieros pueden disponerlas en diferentes patrones, como líneas que se cruzan, Vs invertidas o formas que se asemejan a la letra K, y cada patrón reacciona de manera diferente al viento. La cuestión de qué patrón funciona mejor no es solo una cuestión de seguridad; se trata de encontrar la forma más eficiente de utilizar los materiales para que un edificio sea fuerte sin ser innecesariamente pesado o costoso.

En un estudio reciente, los investigadores se propusieron resolver esta cuestión sometiendo a prueba tres de los patrones de arriostramiento más comunes bajo condiciones idénticas. Se centraron en un edificio de acero de diez pisos, una estructura con una planta cuadrada y una altura de treinta y dos metros. Utilizando un sofisticado software informático, construyeron una versión digital de este edificio y lo sometieron a una fuerte carga de viento, calculada para coincidir con los estándares utilizados en la construcción real en zonas de vientos intensos. La clave de su experimento fue el control estricto: mantuvieron el tamaño del edificio, el peso de sus pisos y la fuerza de su viento exactamente iguales para cada prueba. Lo único que cambiaron fue la disposición de los refuerzos diagonales. En una versión, utilizaron un sistema de arriostramiento en X, donde dos barras se cruzan en el medio del marco. En la segunda, utilizaron un sistema de V invertida, donde dos barras se encuentran en la parte superior de una viga para formar una forma de V apuntando hacia abajo. En la tercera, utilizaron un sistema de arriostramiento en K, donde las barras se conectan al medio de las columnas verticales para formar una forma de K.

Los resultados de esta comparación fueron claros y decisivos. El edificio equipado con el sistema de arriostramiento en X fue el que se mantuvo más firme. Cuando el viento golpeó el modelo, esta configuración permitió que el edificio se balanceara lo menos posible, con la parte superior de la estructura moviéndose solo unos 14.8 milímetros de su posición original. Los pisos individuales también se desplazaron muy poco entre sí, con el movimiento máximo entre cualquier par de pisos midiendo apenas 1.7 milímetros. El sistema de V invertida se situó en la parte media de la clasificación. Era más rígido que la versión con arriostramiento en K, pero no tan rígido como la versión con arriostramiento en X, lo que resultó en un movimiento del techo de 26.8 milímetros y un desplazamiento máximo de piso de 3.1 milímetros. El sistema de arriostramiento en K, sin embargo, fue el que más dificultades tuvo. Bajo la misma presión del viento, este arreglo permitió que el techo se deformara casi tres veces más que la versión con arriostramiento en X, alcanzando un movimiento de 43.6 milímetros. La diferencia entre los mejores y los peores ejecutores fue significativa, con el edificio con arriostramiento en K balanceándose casi tres veces más que el de arriostramiento en X en la parte superior.

¿Por qué ganó el arriostramiento en X? La respuesta reside en cómo viajan las fuerzas a través de la estructura. En el diseño con arriostramiento en X, las barras diagonales trabajan juntas directamente, tirando y empujando a lo largo de toda su longitud para resistir el viento. Esto crea una vía muy directa para que la fuerza viaje hacia el suelo, haciendo que el edificio sea increíblemente rígido. En los otros dos diseños, las barras se conectan a las vigas o columnas en puntos intermedios, lo que obliga a esos miembros horizontales o verticales a doblarse ligeramente para acomodar el movimiento. Este doblamiento introduce un poco de flexibilidad que el arriostramiento en X evita. El estudio confirmó que, si bien los tres diseños eran lo suficientemente fuertes como para cumplir con los estándares de seguridad y no fallarían, el arriostramiento en X ofrecía la mayor rigidez para la misma cantidad de acero. Esto significa que, para un edificio en una región ventosa, elegir el patrón en X proporciona la mejor protección contra el balanceo sin requerir material adicional.

Los investigadores realizaron este trabajo utilizando una herramienta de software específica llamada Tekla Structures, que se utiliza con menos frecuencia para este tipo de comparación que otros programas de ingeniería. Al utilizar esta plataforma, aportaron una perspectiva fresca a un problema clásico, demostrando que el software es capaz de manejar análisis de viento complejos tan bien como las herramientas más tradicionales. El estudio no analizó terremotos o sacudidas dinámicas, centrándose únicamente en cómo se comporta el edificio bajo vientos constantes y fuertes. Tampoco probó todas las formas o alturas de edificios posibles, pero la consistencia de los resultados a lo largo de los diez pisos sugiere que la clasificación de estos sistemas es fiable. Para arquitectos e ingenieros que diseñan edificios altos de acero, el mensaje es directo: si el objetivo es minimizar cuánto se mueve el edificio ante el viento manteniendo la estructura económica, el arriostramiento en X cruzado es la opción más eficaz entre las probadas.

Resumen Técnico: Efecto de la Configuración de Arriostramiento en la Respuesta Lateral de Edificios de Acero de Varios Niveles bajo Carga de Viento

Planteamiento del Problema
En las estructuras altas de acero, el control del desplazamiento lateral inducido por el viento y los terremotos es un requisito de diseño rector que impacta directamente en la serviciabilidad y la economía de los materiales. Si bien el arriostramiento es un método ampliamente utilizado, eficiente y económico para resistir fuerzas horizontales, la eficiencia relativa de las diferentes geometrías de arriostramiento suele depender de interacciones complejas entre la disposición del arriostramiento, la carga aplicada y los supuestos de análisis. La literatura existente frecuentemente compara sistemas de arriostramiento a través de diferentes marcos estructurales o se enfoca principalmente en la demanda sísmica, utilizando a menudo paquetes de software como ETABS o STAAD.Pro. Existe la necesidad de una comparación directa y controlada de configuraciones de arriostramiento específicas (X, V invertida y K) aplicadas a un mismo marco estructural bajo un escenario riguroso de carga de viento basado en códigos, para aislar los efectos geométricos en la rigidez lateral.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque numérico comparativo utilizando un único marco de acero regular de diez niveles (G+9) con dimensiones de planta de 30 m × 30 m y una altura media de techo de 32 m. La investigación siguió tres pasos principales:

Cálculo de la Carga de Viento: Las cargas de viento se derivaron del Procedimiento Direccional de ASCE 7–16 para un edificio cerrado con una velocidad de viento básica de 50 m/s y Categoría de Exposición B. Las presiones resultantes se aplicaron a la envolvente del edificio (aproximadamente +0.492 kN/m² en la cara de barlovento, -0.790 kN/m² en la cara de sotavento y -1.012 kN/m² en las paredes laterales).
Modelado y Análisis: La estructura fue modelada, analizada y diseñada en Tekla Structures mediante un análisis estático lineal. Los tres modelos utilizaron la misma disposición geométrica, propiedades de materiales (acero estructural con $E = 200,000$ MPa) y secciones de miembros (columnas HEA 300, vigas compuestas IPE 160 y miembros de arriostramiento HSS 88.9 × 5.20). El diseño siguió la especificación AISC 360 (LRFD), con verificaciones de serviciabilidad gobernadas por la combinación de carga $0.9D + W$ .
Configuraciones Comparativas: Se aplicaron tres sistemas de arriostramiento concéntricos al mismo marco:
- Arriostramiento en X: Diagonales que se cruzan formando una "X" dentro del vano.
- Arriostramiento en V invertida (Chevron): Diagonales que se encuentran en el punto medio de la viga superior.
- Arriostramiento en K: Diagonales que conectan a la región de media altura de las columnas.

Resultados Clave
El análisis extrajo la deriva de entrepiso y la deflexión lateral para cada configuración. Los tres sistemas cumplieron con los límites de serviciabilidad adoptados (comúnmente $h/400$ ), pero se observaron diferencias significativas en la rigidez:

Arriostramiento en X: Demostró la mayor rigidez lateral. Produjo la menor deriva de entrepiso máxima de 1.7 mm (en niveles intermedios) y una deflexión máxima del techo de 14.8 mm. La relación de deriva fue aproximadamente $h/1882$ .
Arriostramiento en V Invertida: Mostró un desempeño intermedio con una deriva máxima de 3.1 mm y una deflexión de techo de 26.8 mm. La relación de deriva fue aproximadamente $h/1032$ .
Arriostramiento en K: Exhibió la mayor respuesta lateral, con una deriva máxima de 5.8 mm (en el 2º nivel) y una deflexión de techo de 43.6 mm. La relación de deriva fue aproximadamente $h/552$ .

La deflexión de techo del marco con arriostramiento en K fue aproximadamente 2.9 veces mayor que la del marco con arriostramiento en X. El estudio señaló que, mientras el sistema en X mantuvo un perfil de deriva relativamente uniforme, los sistemas en K y en V invertida mostraron una acumulación de deriva que aumenta desde la parte superior hacia los niveles intermedios antes de reducirse cerca de la base.

Significancia y Novedad
Los autores reclaman tres contribuciones específicas que distinguen este trabajo de la literatura existente:

Aislamiento de Variables: Al aplicar tres configuraciones de arriostramiento distintas a un único marco G+9 idéntico, el estudio asegura que las diferencias observadas en la deriva y la deflexión sean atribuibles únicamente a la geometría del arriostramiento y no a variaciones en el modelo estructural.
Campo de Viento Basado en Códigos: La demanda lateral se derivó de un campo de viento completo mediante el Procedimiento Direccional de ASCE 7–16 para una velocidad de viento severa (50 m/s), en lugar de depender de cargas laterales asumidas.
Benchmarking de Software: El estudio utiliza Tekla Structures para el proceso de modelado, análisis y diseño. Los autores señalan que Tekla se utiliza con menos frecuencia que ETABS o STAAD.Pro para esta clase de investigación comparativa de arriostramiento, proporcionando así un referente para su aplicación en tales estudios.

Conclusiones
Los hallazgos confirman que, para un peso de miembros y una disposición estructural dados, la configuración de arriostramiento en X ofrece la mayor rigidez lateral, lo que la convierte en la solución más eficiente para controlar la respuesta lateral en regiones de vientos altos. El sistema en V invertida sirve como una opción intermedia viable, mientras que el sistema de arriostramiento en K, aunque cumple con los límites de serviciabilidad, resulta en deformaciones significativamente mayores. El estudio concluye que Tekla Structures es un entorno eficiente para tales análisis comparativos y recomienda trabajos futuros que incluyan análisis dinámicos/no lineales, una gama más amplia de geometrías de edificios y comparaciones entre diferentes códigos de diseño.

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