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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

REGLAMENTACIÓN Y PRÁCTICA PROFESIONAL PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS INDUSTRIALES EN MÉXICO

Alejandro Vázquez Villalba1, Javier Solís Ortíz

1 y Sergio U. Balbuena Pantoja

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RESUMEN

El objetivo del presente documento es indicar los inconvenientes y deficiencias actuales en la práctica profesional de

nuestro país para el diseño de estructuras industriales, específicamente en el sector de los hidrocarburos, que resulta

de utilizar los códigos y normas vigentes como MDOC CFE-2008, la combinación no compatible con códigos

internacionales como ASCE 7-10, ACI 318-11 y AISC 325-11, que es originada como una obligación contractual

que hasta ahora ha sido inevitable. La consecuencia de tal fusión de filosofías puede ocasionar diseños deficientes y

costosos o con un nivel de seguridad difícil de evaluar debido a la gran incertidumbre en diversos parámetros y

factores involucrados en el diseño.

ABSTRACT

The purpose of this paper is to indicate the problems and deficiencies in current practice in our country for the design

of industrial structures, specifically in the field of hydrocarbons, which results from using current codes and

standards as MDOC CFE-2008 and the unsupported combination with international codes such as ASCE 7-10, ACI

318-11 and AISC 325-11, which is caused as a contractual obligation that has so far been inevitable. The

consequence of such a fusion of philosophies can cause deficient and expensive designs, or with a level of security

difficult to assess due to the high uncertainty in various parameters and factors involved in the design.

INTRODUCCION

En nuestro país se tienen dos documentos que al utilizarlos de manera conjunta sirven para realizar el diseño y

construcción de una amplia variedad de estructuras de diferentes materiales: el Manual de Obras Civiles de la

Comisión Federal de Electricidad (MDOC CFE-2008) de aplicación nacional y las Normas Técnicas

Complementarias del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal (NTC RCDF-2004). Estos documentos,

cuyos contenidos se complementan entre sí, son y han sido por muchos años, los referentes en la práctica profesional

que suplen la falta de una normatividad legalmente aplicable para todo el país.

La actualización de las secciones C.1.3 y C.1.4 para diseño por sismo y viento del MDOC CFE-2008, permite

establecer el cálculo de las fuerzas de sismo y viento para los niveles de servicio y colapso o resistencia,

implementando la filosofía de intensidades óptimas, sin embargo, debido a que no se actualizó la sección C.1.2 de

Acciones del mismo Manual, en la práctica profesional queda la incertidumbre de qué factores y combinaciones de

carga se deben utilizar en conjunto con las acciones accidentales de sismo y viento, sobre todo, cuando se especifica

que el diseño se realice con códigos extranjeros.

PEMEX tiene normas propias que aplican para sus respectivos proyectos y representan una obligación contractual.

Tales normas no son el producto de una investigación particular, son una recopilación de normas de aplicación

nacional e internacional que han sido combinadas sin tomar en cuenta que hay incompatibilidades en su uso. Es

totalmente claro que esta unión de códigos es incorrecta, sin embargo, es la práctica actual y se aplica a muchas

estructuras en proyectos de gran magnitud e importancia tanto económica como social.

El objetivo principal de este trabajo es mostrar las deficiencias e incertidumbres que se encuentran al momento de

diseñar estructuras para la industria petrolera, desde el punto de vista de los ingenieros que realizan el diseño.

1 Ingenieros Especialistas, IFD Servicios de Ingeniería S.A. de C.V., Dakota 95, Col. Nápoles, 03810 México, D.F. Teléfono:

(55) 5061-7214; [email protected] [email protected] [email protected]

mailto:[email protected]



XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2014

Además, se formulan algunas recomendaciones que pudieran ser útiles al momento de realizar ediciones futuras de

los códigos y normas referidas.

DISEÑO DE ESTRUCTURAS INDUSTRIALES PARA LA INDUSTRIA PETROLERA

Si bien en las refinerías petroleras se tienen múltiples tipos de estructuras, es posible distinguir ciertas edificaciones

que son de uso recurrente y que por su magnitud, importancia y particularidades estructurales, vale la pena identificar

debido a que las fuerzas de sismo y viento son decisivas en su comportamiento y diseño:

Edificios de proceso: con alturas máximas de hasta 40 metros, sirven para la instalación de equipos

mecánicos como intercambiadores de calor, tanques horizontales y verticales, plataformas de operación y

soportes de tuberías y charolas eléctricas. Son estructurados con marcos metálicos rígidos y contravientos

verticales en la dirección débil de las columnas. Dentro de lo posible, se coloca un arreglo de contravientos

horizontales en las plataformas más importantes para obtener un diafragma con rigidez adecuada para el

comportamiento de la estructura.

Racks de proceso: con alturas máximas de hasta 40 metros, sirven principalmente para cubrir la trayectoria

de tuberías, sin embargo, también se ocupan para la instalación de equipos mecánicos como unidades de

enfriamiento de agua instaladas en la parte superior del rack, plataformas y soportes de charolas eléctricas.

Los racks son estructurados mediante marcos rígidos de concreto precolado de una o dos crujías, unidos

longitudinalmente por medio de puntales metálicos, generalmente se interrumpen para formar módulos de

hasta 50 metros de largo. En la parte superior de los marcos, se desplantan columnas metálicas para la

instalación de plataformas y soportes de equipos y tuberías.

Edificios para subestaciones eléctricas: sirven para la instalación de equipos eléctricos como

transformadores e instalaciones para su operación. Generalmente son estructuras de uno o dos pisos,

formadas por marcos rígidos de concreto con muros de relleno de mampostería y losas macizas de concreto

reforzado.

Cimentaciones y soportes de Equipos: cimentaciones de torres metálicas de proceso con alturas del orden de

80 metros o más, así como cimentaciones y soportes de equipos horizontales como intercambiadores de

calor y tanques de almacenamiento. Para los equipos verticales, las cimentaciones consisten en una

combinación de zapata aislada con un pedestal octagonal de concreto reforzado, para los equipos

horizontales, se utilizan zapatas aisladas o corridas con pedestales que emergen de la superficie para

convertirse en muros en voladizo de dimensiones considerables.

Fuera del alcance de este escrito, pero que es importante mencionar, es la amplia variedad de equipos que

son diseñados por los fabricantes, quienes también se deben sujetar a la normatividad local para calcular las

fuerzas de sismo y viento y adaptarlos a sus estándares particulares y métodos de diseño.

El diseño de las estructuras referidas, no es cubierto íntegramente por ningún código o normatividad nacional, hay

varios aspectos del diseño que deben tomarse de códigos extranjeros, sólo por mencionar algunos: el diseño de

anclas, criterios de cargas y combinaciones particulares para las tuberías y equipos, etc.

Este tipo de diseños es una de las tareas que más requiere el uso de criterio fundamentado en una sólida formación

académica del ingeniero, considerando el hecho de tomar, las indicaciones de normatividades o guías de diseño

extranjeras y las especificaciones de diseño que tenemos en nuestro país: el MDOC CFE-2008 para diseño por sismo

y viento y el conjunto de Normas Técnicas Complementarias del Reglamento de Construcciones para el Distrito

Federal (NTC RCDF-2004).

A continuación se mencionan las principales incertidumbres que se presentan al momento de diseñar estructuras

industriales utilizando el MDOC CFE-2008, Capítulos 3 y 4 para diseño por sismo y viento:

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1. El Capítulo 3 de diseño por Sismo no hace referencia a las combinaciones de carga que se deben aplicar en

conjunto con las fuerzas sísmicas que se calculan con el Manual. Es obligado que futuras ediciones hagan

referencia al Capítulo 2 de Acciones del mismo Manual de Diseño.

2. En el Capítulo 4 de diseño por viento, se indica que para definir los factores de carga y resistencia, se deben

seguir los lineamientos establecidos en el Capítulo 2 de Acciones (Sec. 4.1.2 MDOC DV-08). Sin embargo,

el Capítulo 2 de Acciones, a la fecha actual no se ha publicado. Si bien la versión disponible de 1981, hace

referencia a los factores de carga y combinaciones del entonces Reglamento de Construcciones del Distrito

Federal, también hace referencia a factores de carga de códigos extranjeros como el ACI y la norma ANSI

(Sec. 2.4 MDOC CA-81).

3. Es necesario que se publique el Capítulo 2 de Acciones del Manual de Diseño de Obras Civiles de la C.F.E.,

donde se incluyan los factores de carga y combinaciones que se deben usar en conjunto con las fuerzas de

sismo y viento del mismo manual. Es conveniente que se especifique que factores de carga son

recomendables cuando sea indispensable utilizar el método de esfuerzos permisibles, el cual, aunque está en

desuso en nuestros códigos de diseño, se sigue utilizando para el diseño de equipos industriales por

proveedores internacionales o como se mostrará más adelante, se sigue especificando para el diseño de

estructuras de acero.

4. Un aspecto que vale la pena retomar del Capítulo 2 de Acciones de 1981 para incluirse en la siguiente

edición, es el siguiente: “La confiabilidad deseada de un estructura depende tanto de los factores de carga

como de los de resistencia que para ella se estipulen. Cada código de diseño especifica acciones, resistencia,

factores para ambas, formas de cálculo, etc., de manera tal que su uso en CONJUNTO proporcione una

cierta confiabilidad estructural. Si se combinan acciones, resistencias y factores de diversos códigos, no es

posible conocer la confiabilidad del diseño, y éste resulta o innecesariamente costoso o con un riesgo de

falla mayor que el razonable” (Sec. 2.4 MDOC CA-81).

5. Es indispensable que en el Capítulo 3 de diseño por sismo, para estructuras tipo 6 Industriales, se incluyan

los factores de reducción que son necesarios para construir el espectro de diseño reducido, a saber:

ductilidad, Q’, sobrerresistencia, R, redundancia y si aplica, irregularidad, . Dichos factores deberán

tomar en cuenta, las estructuras típicas descritas anteriormente.

6. En el Capítulo 3 de diseño por sismo, para estructuras tipo 6, Industriales, no se especifica si la corrección

por irregularidad , se debe o no aplicar a este tipo de estructuras. Es necesario incluir en los comentarios si

algún otro criterio incluido en el manual cubre la corrección por irregularidad.

7. Para el análisis estático de estructuras tipo 6, Industriales, la valuación de las fuerzas sísmicas está basada

en la ecuación 1 (ecuación 9.1 del MDOC DS-08):

Pn = 0.95 Wnhn W n

Nn =1

W n hnNn =1

c

Q ′∅ ζ (1)

donde

c Coeficiente sísmico

Factor reductor que depende de la flexibilidad de la estructura (=Tb/Te, no menor que 0.4 ni

mayor que 1.0)

Factor reductor que depende del amortiguamiento de la estructura (0.8 para estructuras de acero

atornilladas)

En la Adenda del Capítulo de diseño por sismo, firmada en febrero del 2012 (Adenda DS-12), la ecuación 1

se modificó para incluirle en el denominador las variables: sobrerresistencia, R y redundancia, . Sin

embargo, el criterio de cálculo de las fuerzas sísmicas estáticas con la ecuación 1 genera incertidumbre

cuando en la práctica profesional se utiliza el valor de la ordenada espectral en lugar del coeficiente sísmico,

c; debido a que no se sabe, si con este cambio, es congruente seguir utilizando el factor reductor indicado

en la ecuación 1, sobre todo, cuando el periodo fundamental de la estructura, Te, es mayor que Tb.


Es conveniente que el cálculo de las fuerzas estáticas para estructuras industriales incluya la opción de

utilizar la ordenada espectral correspondiente al periodo fundamental de la estructura en lugar del

coeficiente sísmico.

8. Para el análisis modal espectral de estructuras tipo 6, Industriales, se indica que se debe aplicar una

corrección de cada periodo natural de vibración de la estructura, que consiste en aumentar o disminuir hasta

en 25% el valor calculado y adoptar el valor más desfavorable. Aplicar esta disposición implica construir un

espectro amplificado por la variación individual de cada periodo y aplicarlo en el análisis modal espectral,

lo cual, no es muy práctico en la actualidad, considerando que ya se tiene un espectro transparente de

colapso, un espectro transparente de servicio y un espectro de diseño reducido.

Es conveniente que se incluya en los comentarios lo que representa el criterio anterior para que el ingeniero

evalúe si la especificación es de aplicación para la estructura que está analizando. En la práctica se aplica de

manera simplificada, variando únicamente el valor del periodo fundamental de la estructura, que es

utilizado cuando se hace la revisión del cortante basal para determinar los factores de escala que se aplican

al análisis modal espectral.

CONCEPTOS DE FUERZAS SÍSMICAS A NIVEL DE COLAPSO Y SERVICIO

En la práctica profesional actual existe una seria confusión con las fuerzas sísmicas a nivel de Colapso y Servicio

introducidos en el Apéndice A de las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño por Sismo NTC DS del

RCDF 2004 y posteriormente en el Capítulo 3 del MDOC CFE-2008 para el resto de la República. Para lo siguiente

se juzga necesario mencionar de manera breve la definición de Sismo de Colapso o Resistencia como el evento

máximo esperado de poca recurrencia que se usa para diseñar los elementos resistentes de la estructura y el Sismo de

Servicio son los eventos de baja intensidad pero de mayor recurrencia que se usa para revisar las distorsiones y

elementos no estructurales como fachadas, ventanas, recubrimientos, etc.

Noción del Colapso y Servicio en el pasado

Anteriormente se diseñaban los elementos resistentes con las fuerzas sísmicas de Colapso (sin estar nombradas como

tal) normalmente factorizadas en los códigos, a excepción de realizar un diseño por el método ASD con AISC. El

Servicio se revisaba igualmente con las mismas fuerzas sísmicas de Colapso pero con factores unitarios lo cual no

parece congruente con la definición de Servicio mencionada anteriormente; sin embargo, los límites permisibles

estaban ajustados a los niveles de Servicio esperados bajo fuerzas sísmicas de colapso, por ejemplo para la distorsión

se tenía el límite de 0.006 cuando se tienen elementos no estructurales ligados a la estructura y 0.012 cuando los

elementos no estructurales no están ligados a la estructura. Esto llevó a pensar erróneamente que la diferencia entre

el Colapso y el Servicio de una estructura era simplemente el factor de carga y se entendía coloquialmente que el

Servicio era el uso de factores de carga unitarios, incluso se nombraban como Combinaciones de Carga de Servicio.

Lo anterior tenía la intención de revisar de una forma práctica dos intensidades sísmicas diferentes, la de Servicio y

Colapso, con una misma fuerza, la de Colapso; mientras que el Servicio se controlaba con límites permisibles

correspondientes a ese nivel.

Noción del Colapso y Servicio en la actualidad

La idea anterior permea a la fecha y hace confuso asimilar en la práctica profesional actual la nueva filosofía

presentada en el Capítulo 3 del MDOC CFE-2008 y el Apéndice A de las NTC DS del RCDF 2004, en la cual se

tratan los niveles de Servicio y Colapso por separado, como lo son por definición, eventos de distinta recurrencia e

intensidad, cuya diferencia es por tanto el periodo de retorno y no un factor de carga. Esto se aprecia claramente con

el Factor de Servicio, Fser, el cual lleva los desplazamientos obtenidos con fuerzas de Colapso a un nivel de

Servicio, dividiendo entre dicho factor. En el Apéndice A de las NTC DS 2004, Fser=7, mientras que en el MDOC

CFE-2008, Fser=5.5 en roca y mayor en suelos blandos. Esto hace evidente que la diferencia entre el Colapso y el

Servicio no es el factor de carga como se pensaba (1.1 en el RCDF), sino un cambio en el periodo de retorno. De esta

manera se hace un ajuste respectivo a los límites permisibles, por ejemplo para la distorsión de Servicio se tiene el

límite de 0.002 cuando se tienen elementos no estructurales ligados a la estructura y 0.004 cuando los elementos no

estructurales no están ligados a la estructura y se definen límites permisibles para el Colapso que dependen del

material, estructuración y detallado, y por tanto mayores a los limites de Servicio.

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Al incorporarse la nueva filosofía del Servicio y Colapso del MDOC CFE-2008, se ha generado confusión en la

práctica profesional actual, ya que por años se trabajó con la filosofía anterior donde la única diferencia entre el

Servicio y Colapso era el factor de carga, por ejemplo en el cuerpo principal de la NTC DS 2004, MDOC CFE-93 e

incluso varios códigos internacionales como el ASCE 7.

Aunado a lo anterior, la falta de indicaciones respecto a los factores y combinaciones de carga que se deben usar con

el MDOC CFE-2008, ha contribuido a que en la normatividad vigente que se debe utilizar para el diseño estructural

en la industria petrolera, se indiquen criterios de diseño y especificaciones puntuales, que tienen su origen en códigos

extranjeros, basados en filosofías de diseño diferentes a las del MDOC CFE-2008.

A continuación se muestra un panorama de la normatividad aplicable y de las incertidumbres e inconvenientes que se

generan al momento de diseñar este tipo de estructuras para dicho sector de la industria.

NORMATIVIDAD EN LA INDUSTRIA PETROLERA

Para la industria petrolera de nuestro país, el diseño de estructuras de acero y concreto se debe realizar de acuerdo

con las normas de PEMEX: NRF-137-PEMEX-2012 y NRF-138-PEMEX-2012.

Para el diseño de estructuras desplantadas en territorio nacional, las normas indican que el cálculo de las fuerzas de

sismo y viento debe realizarse con el MDOC CFE-2008. Así mismo, se indica que el diseño de las estructuras de

concreto se realice conforme a las disposiciones del método de diseño por factores de carga y resistencia (DFCR o

LRFD por sus siglas en inglés) del código ACI 318-11 y el diseño de estructuras de acero con el método de diseño

por resistencias permisibles (DRP o ASD por sus siglas en inglés) indicado en el código AISC 325-11, 14ª edición.

Para las versiones precedentes (2006) de las NRF’s, se indicaban los mismos códigos sólo que en versiones

anteriores: AISC 9ª edición y ACI 318-02. En ambas normas versión 2006, no se indicaban tablas de combinaciones,

sólo se hacía referencia a las combinaciones del ASCE 7-02.

En la tabla 1 se muestra un resumen de los factores de carga, para las fuerzas de sismo y viento, especificados en el

ASCE 7-02, para los métodos LRFD y ASD, a los cuales hacen referencia las normas NRF versión 2006 de PEMEX,

se puede notar, la amplia diferencia entre los factores de carga para sismo y viento, lo cual es debido a que con el

ASCE 7-02, las fuerzas de sismo se calculaban a nivel de resistencia, mientras que las fuerzas de viento a nivel de

servicio. Fue en el ASCE 7-95 cuando las fuerzas de sismo pasaron de nivel de servicio a nivel de resistencia y con

ello, para el método LRFD se cambió el factor de carga de 1.4 a 1.0 y para el método ASD se cambió de 1.0 a 0.7

(ACI 318- a Sec. R9.2.1c).

Tabla 1 Factores de carga para viento y sismo de acuerdo con ASCE 7-02

(Tabla 1 a partir de ASCE 7-02, Sec. 2.3.2 y Sec. 2.4.1)

Para los factores de carga de sismo y viento del ASCE 7-02 se indicaba que si en el cálculo de las fuerzas de viento,

no se incluía una reducción por un factor de direccionalidad, podía usarse 1.3 en lugar de 1.6 y si las fuerzas de

sismo, estaban basadas en un código a nivel de servicio, debía utilizarse 1.4 en lugar de 1.0 (ACI 318-02, Sec. 9.2.1).

A partir de lo anterior, en la práctica profesional se utilizaban los factores de carga que se muestran en la tabla 2, en

conjunto con las fuerzas de sismo y viento calculadas con el MDOC CFE-1993, sin embargo, a juicio del ingeniero,

se utilizaba para viento el factor de carga 1.3 en lugar de 1.6.

Método de diseño Sismo Viento

LRFD 1.0 1.6

ASD 0.7 1.0


Tabla 2 Factores de carga utilizados en la práctica profesional

La mezcla de los diferentes códigos indicada en la normatividad de PEMEX, y los factores de carga utilizados en la

práctica profesional (Tabla 2), se percibe es conservadora, si se comparan con los factores de carga especificados en

las Normas Técnicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el Diseño Estructural de las Edificaciones del

Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal (NTC-CA RCDF-04), resumidos en la Tabla 3.

Tabla 3 Factores de carga indicados en NTC-Acciones del RCDF 2004

(1) Sólo para la revisión del estado límite de servicio

Práctica profesional con la normatividad de PEMEX vigente

En Julio del 2012, PEMEX publicó las nuevas versiones de las normas NRF-137 y NRF-138 para diseñar estructuras

de acero y concreto. Uno de los cambios más importantes es que en ambas normas, se incluyeron tablas con factores

de carga y combinaciones que deben ser utilizadas en conjunto con las fuerzas de sismo y viento calculadas con el

MDOC CFE-2008.

La norma NRF-138-PEMEX-2012 especifica que se utilicen factores de carga de 1.0 para las fuerzas de viento y

sismo, cuando éstas sean calculadas a nivel de colapso, y que se utilicen factores de carga de 1.6 y 1.4, para las

fuerzas de viento y sismo, cuando éstas sean calculadas a nivel de servicio. La norma NRF-137-PEMEX-2012 indica

que se utilicen factores de carga de 0.6 y 0.7 para las fuerzas de viento y sismo en conjunto con “los esfuerzos

máximos requeridos resultados del análisis estructural causado por combinaciones de las cargas de servicio”.

En la Tabla 4 se muestra un resumen de los factores de carga para viento y sismo especificados por las normas de

PEMEX, versión 2012.

Tabla 4 Factores de carga para viento y sismo de acuerdo con la normatividad de PEMEX 2012

(Tabla 4 a partir de NRF-137-PEMEX-2012 y NRF-138-PEMEX-2012)

Ambas normas indican como referencia el código ASCE 7-10, en el cual se indica un conjunto de combinaciones

para el método LRFD y otro grupo de combinaciones para el método ASD, en la Tabla 5 se muestra un resumen de

los factores de carga de dicho código.


LRFD (Concreto) 1.4 1.3 ó 1.6

ASD (Acero) 1.0 1.0


LRFD 1.1 1.1

(1) 1.0 1.0

Norma Método de diseño"Origen de

las cargas"Sismo Viento

servicio 1.4 1.6

colapso 1.0 1.0

NRF-137 ASD (Acero) servicio 0.7 0.6

NRF-138 LRFD (Concreto)

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Tabla 5 Factores de carga para viento y sismo de acuerdo con ASCE 7-10

(Tabla 5 a partir de ASCE 7-10, Sec. 2.3.2 y Sec. 2.4.1)

¿Qué indica el MDOC CFE-2008 con respecto a los factores de carga y combinaciones que se deben utilizar en

conjunto con las fuerzas de sismo y viento calculadas con el mismo Manual? En la sección 4.1.2 del MDOC DV-

2008, se indica que “para los factores de carga y resistencia, se seguirán los lineamientos establecidos en la Sección

C (Estructuras), Tema 1, Capítulos 1 y 2 (Métodos de diseño y Acciones)” sin embargo, cuando se publicaron los

capítulos 3 y 4 de sismo y viento del MDOC CFE-2008, no se publicó el capítulo 2 de Acciones. Además, en ambas

normas de PEMEX versión 2012, no se indica la posibilidad de utilizar los factores y combinaciones de carga de las

NTC-CA RCDF-04.

Requisitos sísmicos adicionales

Tanto para ACI como para AISC se tienen consideraciones adicionales dependientes de la categoría de diseño

sísmico y del sistema estructural. Se solicita que para el diseño de elementos y conexiones, las fuerzas actuantes por

sismo sean amplificadas por el factor de sobrerresistencia 0. En la sección 12.4.3.2 de ASCE 7-10, se indican

grupos de combinaciones de carga que aplican para LRFD y ASD con el factor de sobrerresistencia.

Para el diseño de estructuras de concreto reforzado, en ACI 318-11, las fuerzas amplificadas son requeridas en el

capítulo 21 “Estructuras resistentes a sismo” y también en el apéndice D “Anclaje para concreto”.

Para el diseño de estructuras de acero, las fuerzas amplificadas son requeridas en AISC 341-10 “Provisiones

sísmicas”.

El factor de sobrerresistencia para el MDOC CFE-2008, en el caso de estructuras industriales tiene un valor máximo

de 2.0, de acuerdo con lo indicado en la sección 3.9.3.1 (Adenda DS-12). Para ASCE 7-10, los factores de

sobrerresistencia son de acuerdo a una amplia clasificación de sistemas estructurales y se muestran en las tablas 12.2-

1 y 15.4-1, con valores que van de 1.0 a 3.0

Tomando como ejemplo la ecuación 5 de la sección 12.4.3.2 de ASCE 7-10, se tiene el factor (1.2 + 0.2SDS) que

multiplica a la carga muerta “D”, siendo SDS el coeficiente de aceleración espectral, concepto similar al coeficiente

sísmico de los espectros para la República Mexicana. Para ASCE 7-10, 0.2SDS es el efecto vertical del sismo,

mientras que MDOC CFE-2008 pide combinar con el 70% del efecto vertical del sismo y se requiere aclarar de cuál

espectro se obtiene la componente vertical, porque puede suponerse que es del espectro transparente de colapso, o de

los espectros de diseño afectados por los factores de sobrerresistencia, redundancia y reducción por ductilidad,

siendo ilógico este segundo caso, porque los factores mencionados están asociados a la respuesta lateral del sistema

estructural. Si no se consideran estos conceptos y se usan las combinaciones tal como lo indica ASCE 7-10, el efecto

vertical del sismo se estaría sumando dos veces con diferentes factores.

Estos aspectos no son mencionados en las NRF, y para ser aplicados requieren de la suposición de equivalencias

entre parámetros de MDOC CFE-2008 y de ASCE 7-10, iniciando por la clasificación de diseño sísmico, el

coeficiente de modificación de respuesta y el factor de sobrerresistencia.

Filosofía del código ASCE 7-10

En la versión del código ASCE 7-10, se cambió el criterio de calcular las fuerzas de viento de nivel de servicio a

calcularlas a nivel de resistencia. Con este cambio, también se modificaron los factores de carga indicados en las

combinaciones. Es en esta versión del código en el que ambas fuerzas, viento y sismo, son calculadas a nivel de

resistencia.


LRFD 1.0 1.0

ASD 0.7 0.6


Para los factores de carga se indican las siguientes excepciones: “si las cargas de viento son calculadas a nivel de

servicio, para el método LRFD se deberá utilizar el factor de 1.6 en lugar del factor de 1.0 (ACI 318-11 Sec.

R9.2.1b) y si las cargas de sismo son calculadas a nivel de servicio, para el método LRFD se deberá utilizar el factor

de 1.4 en lugar de 1.0” (ACI 318-11 Sec. R9.2.1c).

Con el criterio del ASCE 7-10, “las cargas calculadas a nivel de resistencia” significa que las fuerzas de sismo y

viento se calculan con el efecto acrecentador de los factores de carga: 1.6 y 1.4 y por lo tanto, al utilizarlas para

diseño con el método de resistencia, LRFD ya no se requiere que sean factorizadas o lo que es lo mismo, los factores

de cargas que se deben aplicar son unitarios, consecuentemente, las fuerzas al utilizarse con el método de diseño

ASD, son multiplicadas por factores de carga: 0.6 y 0.7, que reducen la magnitud de las fuerzas. Estos factores de

carga son, aproximadamente, los valores inversos de los factores de carga 1.6 y 1.4.

Es posible establecer cómo se realizó el cambio de criterio del cálculo de las fuerzas de viento que tuvo como

resultado pasar de un factor de carga de 1.6 a un factor de carga unitario.

En la figura 1 se muestra la Tabla C26.5-6 del ASCE 7-10, en ella se muestra que la velocidad básica de viento del

ASCE 7-05 se incrementó proporcionalmente a la raíz cuadrada del factor de carga de 1.6 (√1.6=1.265), este cambio

de velocidad de viento se asoció a un cambio en el periodo de retorno, es decir, el mapa de velocidades con periodo

de retorno de 50 años del ASCE 7-05 corresponde al mapa de velocidades con periodo de retorno de 700 años del

ASCE 7-10 (Figura 26.5-1ª ASCE 7-10).

Figura 1 Velocidades de viento de diseño: del ASCE 7-93 al ASCE 7-10 (tomada de ASCE 7-10)

En el ASCE 7-10 se incluyó la tabla de categoría de riesgo de edificios y otras estructuras para inundaciones, viento,

nieve, sismo y cargas de hielo (Tabla 1.5-1 ASCE 7-10), en la cual, en base al uso u ocupación del edificio, se

definen cuatro categorías de riesgo que en orden creciente asocian la falla del edificio o estructura con el riesgo

creciente para la vida humana, impacto económico y otras alteraciones de la vida diaria de la comunidad donde se

encuentran.

Para cada una de las categorías de riesgo, se indican tres mapas de velocidades de viento:

Categoría de riesgo I, el mapa de velocidades tiene un periodo de retorno de 300 años,

Categoría de riesgo II, el mapa de velocidades tiene un periodo de retorno de 700 años

Categorías III y IV, el mapa de velocidades tienen un periodo de retorno de 1700 años.

Para el diseño por viento de las estructuras de una refinería, las estructuras principales se clasificarían como

categorías III o IV, por lo tanto, se utilizarían las velocidades de viento correspondientes al mapa de velocidades con

un periodo de retorno de 1700 años.

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Esta manipulación de números entre los factores de carga y las velocidades de viento del ASCE 7-02 y del ASCE 7-

10 implica que si se calculan las fuerzas de viento con ambos códigos y sus respectivos factores de carga se

obtendrían fuerzas prácticamente iguales.

Otro factor importante en el cálculo de las fuerzas de viento con el ASCE 7-10 es el factor de direccionalidad Kd, el

cual, reduce la presión básica de diseño para tomar en cuenta “la probabilidad de que la velocidad máxima del viento

no actúe en la dirección que es más desfavorable para la estructura”

En el ASCE 7-95, el factor de carga para viento usando las combinaciones LRFD era 1.3 y en el cálculo de las

fuerzas de viento se aplicaba de manera implícita un valor de 0.85 para tomar en cuenta la direccionalidad del viento

(C2.3.2 ASCE 7-05). En el ASCE 7-98, se deja de aplicar 0.85 y hace su aparición el factor Kd como una variable

que depende de los tipos estructurales, en consecuencia, el factor de carga para viento en las combinaciones LRFD se

incrementa de 1.3 a 1.6.

Desde entonces, en las diferentes versiones del ASCE y en la vigente se indica que, “el factor Kd ha sido calibrado

con las combinaciones de carga y que sólo debe ser aplicado cuando se use en conjunto con esas combinaciones”,

además, para las versiones anteriores a la versión vigente, se indicaba que “cuando las cargas de viento no hayan sido

reducidas por un factor de direccionalidad, estaba permitido usar un factor de carga de 1.3 en lugar de 1.6” (Sec.

9.2.1 ACI 318-08).

En la actualidad, en el ASCE 7-10 no se indica reducción alguna en el factor de carga para tomar en cuenta si las

fuerzas se calculan con o sin el factor de direccionalidad, como se ha demostrado, el factor de carga de 1.6 fue

absorbido por el incremento en las velocidades de viento. Se puede concluir que el uso de los factores de carga del

ASCE 7-10, sólo deberían aplicarse para las velocidades de viento de 300, 700 ó 1700 años y para procedimientos de

cálculo que involucren un factor de direccionalidad, Kd.

Implicaciones en la aplicación de las NRF versión 2012

Los ajustes realizados y la filosofía de diseño del ASCE 7-10 son ajenos al MDOC CFE-2008, en el cual, el menos

explícitamente, el proceso de cálculo de las fuerzas de viento no toman en cuenta un factor de direccionalidad que

reduzca las velocidades de viento.

Como se ha mostrado, los factores de carga, de resistencia y de servicio indicados en el ASCE 7-10 están calibrados

con los periodos de retorno y con los procesos de cálculo de las fuerzas de sismo y viento, los cuales, son diferentes a

los utilizados en el MDOC CFE-2008, en el cual se especifican velocidades de viento con periodos de retorno de 200

años y como opción alterna, se indican velocidades asociadas a periodos de retorno óptimos, que para algunas

ciudades, son menores a 200 años, lo cual es diferente a los periodos de retorno de las velocidades de viento que se

indican en el ASCE 7-10. Derivado de lo anterior, es posible concluir lo siguiente:

a) Los factores de carga unitarios indicados en la norma NRF-138-PEMEX-2012 para utilizarse “cuando las

fuerzas de sismo y viento son obtenidas para el estado límite de colapso” pueden resultar en diseños

insuficientes, pues como ya se demostró, al menos para las fuerzas de viento, el MDOC CFE-2008 indica

periodos de retorno menores a los del ASCE 7-10.

Lo anterior puede corregirse, si la norma en lugar de indicar un factor de carga unitario indicase un factor

de 1.1, el cual ya se incluía en la sección C.1.2 de Acciones versión 1981, y a la fecha se mantiene vigente

en las NTC-Acciones del RCDF 2004 y se ocupa para el diseño de estructuras de acero y concreto con el

método LRFD.

b) La alternativa indicada en la norma NRF-138-PEMEX-2012, de utilizar los factores de carga de 1.4 y 1.6,

“cuando las fuerzas de sismo y viento son obtenidas para el estado límite de servicio” es incorrecta, pues la

norma indica que las fuerzas deben ser calculadas con el MDOC CFE-2008, en el cual, se indican los

procedimientos para obtener las fuerzas de sismo y viento a nivel de servicio, sin embargo, no es la misma

proporción entre las fuerzas de sismo y viento para los niveles de colapso y de servicio del MDOC CFE-

2008, con la proporción que tienen los factores de carga de las fuerzas de sismo y viento para los niveles de

resistencia y servicio según el ASCE 7-10, a saber:


Para las fuerzas de sismo calculadas con el MDOC CFE-2008, la relación que tiene la fuerza de sismo a

nivel de colapso con la fuerza a nivel de servicio es, para suelos rocosos, 5.5 veces, mientras que, en el

ASCE 7-10 la relación que tiene el factor de carga de la fuerza de sismo a nivel de resistencia y a nivel de

servicio es 1.4 veces, entonces, sería inadecuado utilizar las fuerzas de sismo calculadas para el estado

límite de servicio.

c) La norma NRF-137-PEMEX-2012 indica que las estructuras de acero se deben diseñar por el método de

esfuerzos admisibles (ASD), utilizando las “cargas de servicio” y aplicando factores de carga de 0.6 y 0.7

para las fuerzas de viento y sismo, respectivamente.

La norma no especifica a que le llama “cargas de servicio” y por lo tanto deja abierta la posibilidad de que

se utilicen las fuerzas de sismo y viento obtenidas para el estado límite de servicio de acuerdo con el MDOC

CFE-2008, lo cual, como ya se mencionó en la conclusión anterior, sería erróneo.

Si se opta por utilizar las fuerzas de viento y sismo obtenidas para el estado límite de colapso y aplicarles

los factores de carga indicados por la norma, 0.6 y 0.7, sería inadecuado porque, como ya se demostró los

factores de carga del ASCE 7-10 fueron calibrados con periodos de retorno mayores a los del MDOC CFE-

2008.

En este caso, ante la falta de estudios de calibración entre las fuerzas de sismo y viento del MDOC CFE-

2008 y los factores de carga para usarse con el método de diseño ASD del AISC 325-11, es conveniente que

en la siguiente edición de la NRF-137 se considere la opción de que las estructuras de acero se diseñen con

el método LRFD y utilizando el factor de carga de 1.1.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1. Es necesario que se publique el Capítulo C.1.2 de Acciones correspondiente a los Capítulos C.1.3 de diseño

por sismo y C.1.4 de diseño por viento del MDOC CFE-2008, donde se incluyan los factores y

combinaciones de carga que deben utilizarse en conjunto con las fuerzas de sismo y viento del mismo

Manual.

En la práctica profesional de diseño de estructuras y grandes equipos industriales para la industria petrolera

es inevitable el uso del método de diseño por resistencias permisibles, es conveniente que en nuestra

normatividad se indiquen: los factores de carga y el estado límite de las fuerzas de sismo y viento que se

deben utilizar en el diseño.

2. Es necesario que en el Capítulo C.1.3 de diseño por sismo para estructuras tipo 6 Industriales se incluyan

los factores de reducción por ductilidad, sobrerresistencia y redundancia, para obtener el sismo de diseño

reducido, y que se tomen en cuenta las estructuras industriales más importantes y recurrentes que se

encuentran en una refinería petrolera, como son, edificios de proceso, racks de proceso, subestaciones

eléctricas, cobertizos metálicos, etc.

3. Debe aclararse, si el efecto vertical del sismo se obtiene a partir del espectro transparente de colapso,

tomando la aceleración correspondiente a un periodo de vibración vertical.

Es conveniente, que la sección 3.9 correspondiente a estructuras Tipo 6 Industriales, se actualice y

complemente para que sea acorde con el nivel de modernidad que presenta la sección 3.1 correspondiente a

estructuras Tipo 1 Edificios del mismo Capítulo C.1.3 del MDOC CFE-2008.

4. Es necesario que se actualice la norma de referencia NRF-138-PEMEX-2012 para el diseño de estructuras

de concreto reforzado, en lo referente, a los factores de carga que se indican en la tabla de combinaciones de

la norma y que se elimine la opción de utilizar fuerzas de sismo y viento obtenidas para el estado limite de

servicio. Se debe considerar la opción de utilizar el factor de carga de 1.1 indicado en las NTC-Acciones del

RCDF 2004.

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5. Es necesario que se actualice la norma de referencia NRF-137-PEMEX-2012 para el diseño de estructuras

de acero, se debe considerar la opción de realizar estudios para calibrar factores de carga adecuados para

utilizar el método de diseño ASD en conjunto con las fuerzas de sismo y viento del MDOC CFE-2008.

Otra alternativa adecuada y viable, es cambiar el criterio actual de la norma e indicar el método de diseño

LRFD con el factor de carga de 1.1 indicado en las NTC-Acciones del RCDF 2004.

6. El MDOC no es un código especializado en la amplia variedad de estructuras industriales existentes y

probablemente esta es la razón por la que las NRF mencionadas han considerado la combinación con otras

normas internacionales. No hay duda que esta unión de códigos es incorrecta y ocasiona las incertidumbres

planteadas previamente.

De ninguna forma se defiende este hecho en la práctica profesional y es obvio que se requiere de un gran

trabajo de investigación en la normatividad nacional aplicable a este tipo de estructuras para tener un

criterio homogéneo en la práctica actual. La inversión de recursos para mejorar este aspecto de la ingeniería

debería corresponder principalmente a PEMEX y a las empresas privadas participantes.


REFERENCIAS

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federal de electricidad”, Instituto de Investigaciones Eléctricas, Comisión Federal de Electricidad, México.

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318, American Concrete Institute, Michigan, USA.

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318, American Concrete Institute, Michigan, USA.

AISC 325-11 (2011), “Steel construction manual, 14th edition”, American Institute of Steel Construction, USA.

AISC 341-10 (2010), “Seismic provisions for structural steel buildings”, American Institute of Steel Construction,

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Engineers, USA.

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Eléctricas, Comisión Federal de Electricidad, México.

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Eléctricas, Comisión Federal de Electricidad, México.

MDOC CA-81 (1981), “Manual de diseño de obras civiles, Estructuras, C.1.2 Criterios de Diseño. Acciones”,

Instituto de Investigaciones Eléctricas, Comisión Federal de Electricidad, México.

NTC CA-04 (2004), “Normas técnicas complementarias sobre criterios y acciones para el diseño estructural de

las edificaciones”, Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, Gaceta Oficial del Departamento del

Distrito Federal.

NRF-138-PEMEX-2012 (2012), “Diseño de estructuras de concreto terrestres”, Comité de Normalización de

Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios”, PEMEX, http://www.pemex.com/proveedores-y-

suministros/normas-referencia/Paginas/normas-ref-vigentes.aspx

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Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios”, PEMEX, http://www.pemex.com/proveedores-y-

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NRF-138-PEMEX-2006 (2006), “Diseño de estructuras de concreto”, Comité de Normalización de Petróleos

Mexicanos y Organismos Subsidiarios”, PEMEX.

NRF-137-PEMEX-2006 (2006), “Diseño de estructuras de acero”, Comité de Normalización de Petróleos

Mexicanos y Organismos Subsidiarios”, PEMEX.

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