Efectos de Segundo Orden en Edificios de Hormigón Según el Eurocódigo 2 (EC2) 

El dimensionamiento de edificios de hormigón, de acuerdo con el Eurocódigo 2, requiere una evaluación   de los efectos de segundo orden, que incluyen los efectos P-Delta locales y globales. Este fenómeno ocurre debido a las interacciones no lineales entre los esfuerzos axiles y los desplazamientos laterales de las estructuras. Así, adecuar las metodologías de cálculo a estos efectos es esencial para garantizar la seguridad estructural y evitar sobredimensionamientos o subdimensionamientos indebidos. 

En este artículo, discutiremos los principales conceptos prácticos y teóricos asociados a los efectos de segundo orden, los métodos simplificados previstos en el EC2 (rigidez nominal y curvatura nominal) y las limitaciones asociadas, con base en los análisis realizados por software como SAP2000, ETABS, CSiBridge, VIS y CSiCol. 

Efectos de Segundo Orden (Efectos P-Delta) 

Los efectos de segundo orden en edificios de hormigón pueden clasificarse en dos niveles: 

• Efectos P-Delta Locales: Se relacionan con el comportamiento no lineal de elementos aislados, debido a los esfuerzos axiles en sus extremos y desplazamientos locales asociados. Estos efectos pueden analizarse de forma aislada a través de los métodos de curvatura nominal o rigidez nominal, como se define en el Eurocódigo 2. 
• Efectos P-Delta Globales: Se refieren a la interacción entre los desplazamientos laterales de la estructura en su conjunto y los esfuerzos axiles en los diversos elementos. Estos efectos dependen significativamente de la rigidez lateral global de la estructura y de la interacción entre los diferentes componentes. 

Métodos Simplificados del Eurocódigo 2 

El Eurocódigo 2 permite el uso de métodos simplificados para la consideración de los efectos de segundo orden en elementos aislados: 

• Método de la Curvatura Nominal: Basado en el aumento de los momentos flectores debido a la introducción de deformaciones adicionales a lo largo del elemento. Este método es útil sobre todo cuando los esfuerzos axiles y los efectos de pandeo son bajos. 
• Método de la Rigidez Nominal: Utiliza valores de rigidez reducida en el cálculo de los esfuerzos y desplazamientos, teniendo en cuenta los efectos locales de segundo orden. Consiste en un enfoque más conservador para esfuerzos axiles elevados, pero debe usarse solo para la obtención de los efectos P-Delta locales, de la misma forma que el método de la curvatura nominal. 

Es importante destacar que los métodos simplificados no deben utilizarse aisladamente para obtener los efectos P-Delta globales, ya que no fueron concebidos para este fin, ni tienen en cuenta las características globales de rigidez de la estructura. En estructuras donde estos efectos sean relevantes, deben realizarse análisis globales no lineales P-Delta. 

En seguida puede verse que, para pilares en estructuras susceptibles a desplazamientos laterales relevantes, el momento condicionante para el dimensionamiento será el señalado como Msway, que solo será posible obtener a través de un análisis P-Delta. En la situación opuesta, para estructuras poco susceptibles a desplazamientos laterales, el momento Mnonsway será típicamente el condicionante y será posible obtener a través de los métodos simplificados. 

Limitaciones de los Métodos Simplificados del EC2 

Los métodos simplificados descritos tienen limitaciones claras para situaciones específicas: 

Casos en que los Efectos P-Delta Globales son Relevantes: Cuando la estructura presenta desplazamientos laterales significativos en respuesta a cargas horizontales (vientos, sismos, etc.), los métodos simplificados pueden subestimar los efectos globales. En este caso, se recomienda un análisis no lineal de segundo orden, como los análisis P-Delta globales realizados por softwares avanzados como SAP2000 y ETABS. 

Potencial sobredimensionamiento: la amplificación de los momentos a través de los métodos simplificados debe efectuarse a nivel de los momentos de extremo de primer orden equivalente. Si, en cambio, incrementamos directamente los momentos de extremo, a través de los métodos de la curvatura o rigidez nominal, podremos obtener resultados excesivamente conservadores, especialmente si los momentos globales de segundo orden se obtienen a través de análisis no lineales. 

Por ejemplo, en un pilar en voladizo simple, métodos aislados de rigidez nominal (o curvatura nominal) pueden proporcionar estimaciones razonables para los momentos de extremidad. Pero, si el pilar está conectado a otros elementos con cierta rigidez lateral, los efectos P-Delta globales no deben estimarse a través de estos métodos simplificados, sino que deben obtenerse a través de análisis no lineales. 

Conclusión 

Los efectos de segundo orden en edificios de hormigón según el EC2 implican una comprensión cuidadosa de los métodos simplificados disponibles (curvatura nominal y rigidez nominal) y sus limitaciones. Aunque útiles en análisis locales, estos métodos no deben reemplazar los análisis globales no lineales donde los efectos P-Delta globales sean relevantes. 

Con el soporte de herramientas de software avanzadas como SAP2000, ETABS y VIS, los ingenieros pueden realizar análisis más precisos y seguros, evitando resultados excesivamente conservadores o su contrario. Estos softwares ya incorporan los algoritmos de cálculo conforme al EC2, permitiendo una aplicación práctica eficiente. 

Así, para proyectos donde los efectos globales desempeñan un papel significativo, se recomienda la realización de análisis globales en el modelo estructural completo, asegurando que los criterios normativos sean cumplidos de forma rigurosa y segura. 

En el artículo sobre plasticidad distribuida encontrará cómo realizar análisis de 2º orden teniendo en cuenta el comportamiento no lineal material de pilares y vigas de hormigón armado modelados como barras.