Análisis sísmico de edificios de mampostería: un enfoque basado en macroelementos con 3DMacro

La evaluación estructural de edificios históricos de mampostería es, sin duda, uno de los retos más complejos de la ingeniería estructural. A diferencia de los materiales modernos, la mampostería presenta una respuesta fuertemente no lineal y una enorme diferencia entre la resistencia a tracción, significativamente menor y difícil de evaluar con precisión, y la resistencia a compresión.
En este artículo, a partir del tutorial en vídeo anterior, exploramos los retos de la modelización de estructuras de mampostería y cómo la estrategia de macroelementos, implementada en el software 3DMacro, ofrece una solución que equilibra el rigor técnico y la eficiencia computacional.

El reto de la modelización de la mampostería

Para comprender y simular el comportamiento de colapso de los edificios de mampostería, los ingenieros se enfrentan a tres grandes obstáculos:

Incertidumbres materiales y mecánicas: La resistencia y la ductilidad varían drásticamente en función del tipo de muro y de los mecanismos de degradación asociados a cargas estáticas, cíclicas o dinámicas.
Incertidumbres geométricas: Identificar el esquema estructural exacto de los edificios históricos es difícil, ya que con frecuencia se trabaja con geometrías muy irregulares.
Elección de la estrategia numérica: Si el modelo o la introducción de datos son imprecisos, los resultados serán engañosos, independientemente de la complejidad o del coste computacional del método elegido.

Aunque el análisis dinámico no lineal es el método más realista para simular el comportamiento de un edificio durante un terremoto, su coste computacional es muy elevado para edificios de mampostería. Por ello, el análisis pushover, análisis estático no lineal, se ha convertido en una herramienta extraordinariamente útil y eficiente, ya que muestra con claridad la distribución de daños para distintos niveles de carga en términos de resistencia y ductilidad.

Limitaciones de los modelos tradicionales

Históricamente, los ingenieros han optado entre modelos no lineales de elementos finitos (MEF) o modelos macro simplificados. El modelo de pórtico equivalente (Equivalent Frame Model) ha sido la opción más habitual en la práctica profesional, al representar un muro plano como un pórtico compuesto por elementos no lineales.

Sin embargo, este modelo presenta limitaciones importantes en edificios reales. La mampostería histórica rara vez forma una retícula perfecta; cuando los muros tienen formas irregulares o los huecos, puertas y ventanas, no están perfectamente alineados, decidir dónde colocar las "vigas" y los "pilares" del pórtico exige demasiadas simplificaciones, lo que puede inducir errores significativos en el análisis.

A Solucción: Estrategia de macroelementos de 3DMacro

Para resolver el problema de la irregularidad, 3DMacro utiliza la estrategia de macroelementos. En este método, cada muro se subdivide en elementos equivalentes representados por un cuadrilátero articulado.

El comportamiento mecánico de colapso en el plano del muro se capta mediante un sistema de enlaces (links) no lineales:

Fallo por flexión (Flexural failure): Simulado mediante enlaces de interfaz normales al plano, que representan la deformabilidad a flexión del muro y la deformabilidad axial.
Fallo por cortante diagonal (Shear diagonal failure): Captado mediante dos enlaces diagonales no lineales que conectan los vértices del cuadrilátero.
Deslizamiento por cortante (Shear sliding): Gestionado mediante enlaces de interfaz paralelos al plano, lo que permite simular el deslizamiento que se produce a lo largo de las juntas de mortero.

Desde el punto de vista de la eficiencia, cada macroelemento está gobernado por solo cuatro grados de libertad, tres para los movimientos de sólido rígido y uno para describir la deformabilidad a cortante, lo que mantiene el tiempo de cálculo perfectamente controlado.

Flujo de trabajo y modelización integrada

3DMacro se ha diseñado con una interfaz intuitiva que facilita la creación de un modelo fiable. El software se divide en dos entornos principales para la construcción del modelo geométrico: el editor de planta (plan editor) y el editor de muro (wall editor).

Algunas de las principales características del flujo de trabajo son:

Definición de normas: El usuario puede seleccionar los Eurocódigos estructurales, lo que influye automáticamente en la generación de espectros de respuesta elástica y en varios parámetros de diseño basados en el tipo de terreno, el factor de importancia y la aceleración máxima del terreno.
Versatilidad estructural: Además de edificios íntegramente de mampostería, existente o nueva, el software permite modelizar forjados, dinteles y elementos de hormigón armado, como vigas de coronación, que pueden configurarse con comportamiento de viga 2D. También permite gestionar el comportamiento global del modelo entre 2D y 3D en las opciones avanzadas.
Refuerzo sísmico: Es posible simular intervenciones modernas de rehabilitación, desde materiales compuestos como FRP, fibras de vidrio, carbono o aramida, y el sistema CAM, cintas de acero inoxidable, hasta el encamisado de acero y la mampostería armada.
Resultados detallados: Tras ejecutar un análisis pushover, el software genera una curva de capacidad y permite visualizar el patrón de daño en 3D. Cada símbolo que aparece en los muros está asociado a un evento específico de fallo mecánico, flexión, cortante, etc. Al final, es posible exportar un informe técnico con la evaluación de la vulnerabilidad sísmica y las comprobaciones de seguridad.

Conclusión

Garantizar la precisión en la modelización de edificios de mampostería, respetando las exigencias de los códigos modernos como los Eurocódigos estructurales, requiere herramientas especializadas. El modelo de macroelementos presente en 3DMacro se plantea como una evolución muy recomendable frente a los modelos de pórtico equivalente, ya que permite a los ingenieros sortear las irregularidades arquitectónicas de los edificios históricos y evaluar, con fiabilidad y eficiencia, su comportamiento sísmico.