DISEÑO ESCALERA METALICA

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ESTUDIOS, SUPERVISIÓN Y EJECUCIÓN DE PROYECTOS EN INGENIERÍA ESTRUCTURAL Y GEOTÉCNIA

Ludwig Echevarría Espinoza INGENIERO CIVIL 68897

DISEÑO ESTRUCTURAL DE ESCALERA EN PLAZA VEA - HIGUERETA 1. OBJETIVO El objetivo es analizar y diseñar las estructuras metálicas de soporte a emplear para la caja de escaleras a instalar en el proyecto de Plaza Vea de Higuereta, para ello se realizó todo el protocolo de análisis y diseño de los elementos estructurales involucrados. 2. ANTECEDENTES El proyecto está ubicado en las instalaciones de Plaza Vea de Higuereta, ubicada en la Avenida Tomás Marsano Nº2975, esquina con la Avenida Aviación, en el distrito de Surco, Provincia de Lima.

3. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ESTRUCTURAL El proyecto está compuesto por columnas y vigas metálicas, los cuales conformarán la estructura de la caja de las escaleras a instalarse. Los resultados del análisis deberán ser tales que se garantice un comportamiento adecuado frente a las solicitaciones de carga que presenten. 4. NORMAS Y REGLAMENTOS La evaluación se realizó tomando en cuenta normas y criterios estructurales vigentes, siendo estos los siguientes: -Norma Peruana de Estructuras. -Norma para estructuras metálicas (E-090) -AISC – LRFD 99






5. PARÁMETROS USADOS 5.1 CARGAS Las cargas usadas son las siguientes: Sobrecarga: CV=400kg/m2, aplicada sobre los elementos horizontales de la estructura (losas, pasos y descansos). 5.2 COMBINACIONES COMBINACIÓN CM CV SISMOXX SISMOYY

COMB1 1.40 - - - COMB2 1.20 1.60 - - COMB3 1.40 1.00 ±1.00 - COMB4 1.40 1.00 ±1.00 COMB5 0.70 - ±1.00 - COMB7 0.70 - - ±1.00 SERV1 1.00 1.00 - -

Donde: CM : Cargas Muertas CV : Cargas Vivas SISMO: Efectos Sísmicos en ambas direcciones principales (espectro de Seudo aceleraciones). 6. CONSIDERACIONES PARA ANÁLISIS Para realizar el análisis dinámico se consideró un espectro de aceleraciones, el cual nos permite determinar los desplazamientos y distorsiones. Para ello, de acuerdo a la Norma de Diseño Sismorresistente vigente (E.030-2003) se han considerado ciertos parámetros que conducen a un espectro inelástico de pseudo aceleraciones (Sa) definido por: Z: Parámetro de sitio. U: Categoría de la edificación. S: Factor de amplificación del suelo. R: Coeficiente de reducción de solicitaciones sísmicas C: Factor de amplificación sísmica g: Aceleración de la gravedad = 9.81 m/s2






Para la obtención de estos, se analizó el tipo de suelo sobre el cual se encuentra la estructura estudiada, el cual se obtuvo del siguiente mapa:

De acuerdo al gráfico mostrado, se aprecia que el proyecto se encuentra en la ZONA 1, la cual está conformada por afloramientos rocosos, estratos de grava potentes y estratos de grava coluvial-eluvial que se encuentran a nivel superficial o cubiertos por un estrato de material fino de poco espesor. Este suelo tiene un comportamiento rígido, con periodos de vibración natural determinados que varían entre 0.3 y 0.5 segundos. Para la evaluación del peligro sísmico a nivel de superficie del terreno, se considera que el factor de amplificación sísmica por efecto local del suelo en esta zona es S = 1.2 y el periodo natural del suelo es Ts = 0.6s Z = 0.4 U = 1.3 S = 1.2 R = 9.0 Tp = 0.6






ESPECTRO DE DISEÑO CALCULO DE LA ACELERACION ESPECTRAL

DATOS Z= FACTOR DE ZONA Z= 0.4 (Zona3, Costa) U = FACTOR DE USO O IMPORTANCIA U= 1.3 (Categoria B) S = FACTOR DEL SUELO S= 1.2 (Suelo intemedio) C= COEFICIENTE SISMICO R= 9 (Est. Metálicas) R = FACTOR DE REDUCCIÓN DE LA RESPUESTA Tp= 0.6 T= PERIODO DE VIBRACION DE LA ESTRUCTURA O DEL MODO

T C Sa

0.100 2.500 1.700 0.150 2.500 1.700 0.200 2.500 1.700

0.250 2.500 1.700 0.300 2.500 1.700 0.350 2.500 1.700 0.400 2.500 1.700 0.450 2.500 1.700 0.500 2.500 1.700 0.550 2.500 1.700 0.600 2.500 1.700 0.650 2.262 1.539 0.700 2.062 1.402 0.750 1.891 1.287 0.800 1.745 1.187 0.850 1.618 1.100 0.900 1.506 1.024 0.950 1.408 0.957 1.000 1.320 0.898 1.050 1.242 0.845 1.100 1.172 0.797 1.150 1.109 0.754 1.200 1.051 0.715 1.250 0.999 0.679

1.300 0.951 0.647

1.350 0.907 0.617

1.400 0.867 0.590

1.450 0.830 0.564

1.500 0.795 0.541

1.550 0.763 0.519

1.600 0.734 0.499

1.650 0.706 0.480

1.700 0.680 0.463






De esta manera, el espectro de diseño con el cual se trabajó de acuerdo a las condiciones y características de la ubicación y tipo de suelo sobre el cual se encuentra el presente proyecto. Se han establecido los límites permisibles de acuerdo a la Norma, limitando los desplazamientos de las estructuras mediante el control de las distorsiones como establece la norma vigente, estas distorsiones para estructuras metálicas es de 0.010. 7. PRESENTACIÓN DEL MODELO

Fig.1-Modelo base de la estructura a diseñar






Fig.2-Modelo tridimensional de la estructura

Fig.3-Modelo tridimensional, ángulo contrario.






Fig.4 Elevación frontal de la estructura.

Fig.5 Elevación lateral de la estructura.






Para la distribución de los elementos se presentan 2 alternativas: Alternativa 1: La estructura consta de columnas metálicas tubulares cuadradas de 6”x6” y 3/16” de espesor, las vigas son perfiles W8x15, las guarderas usadas a lo largo de la escalera y los descansos son tubulares cuadradas de 10”x2”x4.5mm y de 80mmx250mmx4mm. Alternativa 2: La estructura consta de columnas metálicas tubulares 6” de diámetro por 4.5mm. de espesor, las vigas son perfiles W8x15, las guarderas usadas a lo largo de la escalera y los descansos son tubulares cuadradas de 10”x2”x4.5mm y de 80mmx250mmx4mm. Cabe mencionar que una de las columnas del primer piso (Cruce de ejes B y 4) se vio afectada por el peso de las losas adicionales de entrega de la escalera, motivo por el cual se tuvo que incrementar su espesor a 6mm. Común a ambas alternativas, para brindarle mayor estabilidad a la estructura se colocaron arriostres en ambas direcciones tal como se aprecian en la figura 4. Dichos arriostres son tubulares de 3” de diámetro y espesores de 3/16” y 1/4” de espesor. Los pasos de la escalera son hechos a base de perfiles metálicos, consta de planchas de 2 metros de largo por 0.30 metros de ancho por 3/16” de espesor, cada una de ellas estará unido por ambos lados a las guarderas debidamente atiesado con perfiles angulares por la parte inferior. Cabe mencionar que los pasos metálicos, así como los atiesadores mencionados no se incluyen en la relación de pesos al final del informe, y serán cotizados aparte. Las losas y descansos se modelaron a base a losa colaborante, las cuales se apoyan sobre viguetas secundarias de sección W6x20. La sobrecarga aplicada a dicha losa fue de 400kg/m2. 8. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

La estructura se sometió a un espectro de seudo-aceleraciones para simular su comportamiento ante un sismo severo aplicado en ambas direcciones (X e Y). Al momento de simularla los resultados no fueron satisfactorios pues excedían los valores límite permisible, motivo por el cual se tuvo que cambiar el tipo de apoyo de las columnas al terreno por apoyos rígidos, esto se hace mediante el empleo de atiesadores al pie de cada columna.






Alternativa 1:

Fig. 6: Resultados de derivas debido a sismo en dirección X-X.

Como se ve en los resultados con las columnas cuadradas de la figura 6 los valores de deriva en cada piso ascienden hasta un máximo valor de 0.003944, lo cual está por debajo del límite máximo (0.010).






Fig. 7: Resultados de derivas debido a sismo en dirección Y-Y.

Al igual que en el caso anterior, el punto que se desplaza más cuando el sismo es aplicado en la dirección Y-Y, tiene una deriva máxima de 0.003229, también por debajo del límite 0.010.






Alternativa 2:

Fig. 8: Resultados de derivas debido a sismo en dirección X-X.

Como se ve en los resultados con las columnas circulares de la figura 8 los valores de deriva en cada piso ascienden hasta un valor máximo de 0.004602, lo cual está por debajo del límite máximo (0.010).






Fig. 9: Resultados de derivas debido a sismo en dirección Y-Y.

Al igual que en el caso anterior, el punto que se desplaza más cuando el sismo es aplicado en la dirección Y-Y, tiene una deriva máxima de 0.003885, también por debajo del límite 0.010. A continuación, se presentará mediante imágenes, las respuestas estructurales de los diferentes elementos analizados. Estos se muestran dentro de un espectro de colores que reflejan una relación de demanda entre capacidad.






Alternativa 1:

Fig. 10: Resultados del diseño de las estructuras con columnas cuadradas

Fig. 11: Resultados del diseño de las vigas secundarias (soporte de las losas colaborantes).






En las figuras 10 y 11, se muestra el espectro de colores de la capacidad del elemento, en la mayoría de casos los elementos están de color celeste a verde, lo que significa que están trabajando a lo más al 70% por debajo de su capacidad. Alternativa 2:

Fig. 12: Resultados del diseño de las estructuras con columnas circulares.

Fig. 13: Resultados del diseño de las vigas secundarias (soporte de las losas

colaborantes).






En las figuras 12 y 13, se muestra el espectro de colores de la capacidad del elemento, en la mayoría de casos los elementos están de color celeste a verde, lo que significa que están trabajando a lo más al 70% por debajo de su capacidad.

Fig. 14: Esta salida de resumen de diseño corresponde a una de las columnas cuadradas de la estructura (Tubo 6”x6”x3/16”). Aquí se muestra que el elemento sigue cumpliendo con las solicitaciones trabajando por debajo de su capacidad, en este caso, al 52.5% de su capacidad.






Fig. 15: En la figura anterior se muestran los resultados de la única columna circular de 6” de diámetro por 6mm de espesor, ubicada en el primer piso en el cruce de los ejes B y 4. Se aprecia que la columna trabaja al 59.1% de su capacidad. Cabe mencionar que debido a los cambios realizados, la estabilidad de las estructuras se vieron afectadas, por ello la necesidad de considerar arriostres en la dirección X.






La relación de pesos de las estructuras se detalla a continuación:

Alternativa 1: Columnas cuadradas.

PERFIL TIPO N piezas Long (m) Peso (ton)

W6X20 Beam 9 30 0.893

TUBO10X2X4.5MM Beam 6 15.84 0.33

TUBO10X2X4.5MM Brace 12 52.82 1.102

TUBO3X3/16 Brace 7 36.683 0.307

TUBO6X6X3/16 Column 24 98.58 2.172

TUBO3X1/4 Brace 5 31.152 0.711

TUBO80X250X4MM Beam 6 12 0.242

W8X15 Beam 28 93.96 2.033

AD900 Floor - - 14.669

AD900 Metal Deck - - 0.699

TOTAL

ACERO: 8.489 toneladas

Alternativa 2: Columnas circulares.

PERFIL TIPO N piezas Long (m) Peso (ton)

W6X20 Beam 9 30 0.893

TUBO10X2X4.5MM Beam 6 15.84 0.33

TUBO10X2X4.5MM Brace 12 52.82 1.102

TUBO3X3/16 Brace 7 36.683 0.307

TUBO3X1/4 Brace 5 31.152 0.711

TUBO6X4.5MM Column 23 94.81 1.553

TUBO6X6MM Column 1 3.77 0.081

TUBO80X250X4MM Beam 6 12 0.242

W8X15 Beam 28 93.96 2.033

AD900 Floor 14.669

AD900 Metal Deck 0.699

TOTAL

ACERO: 7.951 toneladas

NOTA: Los pesos Totales de acero incluyen la plancha de acero deck de la losa colaborante.






Se presenta la distribución de los elementos: Alternativa 1: Columnas cuadradas.

Fig. 16: Vista en planta de la escalera (Tercer nivel)






Fig. 17: Elevación eje 1.






Fig. 22: Elevación eje A.






Fig. 23: Elevación eje B.






Fig. 24: Elevación eje C.






Fig. 25: Elevación eje D.

Alternativa 2: Columnas circulares.






Fig. 26: Vista en planta de la escalera (Primer nivel)






Fig. 30: Elevación eje 4, nótese la única columna circular de 6mm de espesor.






Fig. 32: Elevación eje A.






Fig. 33: Elevación eje B.






Fig. 34: Elevación eje C.






Fig. 35: Elevación eje D.






9. DISEÑO DE CIMENTACIONES:

Una vez concluido el análisis y diseño de los elementos se verificarán las reacciones en las bases de cada columna para el diseño de las cimentaciones.

Debido a la reducción en peso de los perfiles, se presentará un nuevo diseño para las zapatas debido a la optimización en peso realizada.

Estas constarán de zapatas aisladas con un pedestal de concreto de 0.40x0.40, sobre el cual se apoyará la columna metálica, sea cuadrada o circular. El concreto considerado en el diseño será de f’c=210kg/cm2 y el acero empleado tendrá un fy=4200kg/cm2.

Fig. 36: Posición de zapatas aisladas






Zapata A1:

Dimensiones: A=1.00m B=1.00m C=0.40m D=0.40m X=0.70m Y=0.60m Z=0.70m

f 1/2” @ 0.125

f 1/2” @ 0.125

Est. f 3/8”

Est. f 3/8”

4f 5/8”






Zapata Z-B1:


f 1/2” @ 0.125

f 1/2” @ 0.125

Est. f 3/8”

Est. f 3/8”

4 f 5/8”






Zapata Z-D1:


f 1/2” @ 0.125

f 1/2” @ 0.125

Est. f 3/8”

Est. f 3/8”

4 f 5/8”






Zapata Z-A4:


f 1/2” @ 0.125

f 1/2” @ 0.125

Est. f 3/8”

Est. f 3/8”

4 f 5/8”






Zapata Z-B4:


f 1/2” @ 0.125

f 1/2” @ 0.125

Est. f 3/8”

Est. f 3/8”

4 f 3/4”






Zapata Z-D4:


f 1/2” @ 0.125

f 1/2” @ 0.125

Est. f 3/8”

Est. f 3/8”

4 f 5/8”






10. DISEÑO DE ANCLAJES:

Se presenta a continuación el diseño del anclaje de las bases de las columnas: Para las columnas tubulares cuadradas (6”x6”x3/16”): La placa base a emplear será de 0.30m x 0.30m x 12mm. de espesor, para ello, los pedestales descritos en la sección 9 (Detalle de cimentaciones) serán de 0.40mx0.40m. Los resultados del diseño arrojaron 6 pernos de 5/8” de diámetro, por otro lado es posible usar una menor cantidad de pernos aumentando el diámetro, por ello se emplearán 4 pernos de ¾” y su distribución será tal que quede dentro del núcleo de concreto del pedestal.

Fig. 10.1: Resultados del diseño de anclajes para columna cuadrada de 6”x6”.






Para las columnas tubulares circulares (6”x3/16” o 6”x¼”): Análogamente al caso anterior la placa base será de 30cmx30cm por un espesor de 12mm.

Fig. 10.2: Resultados del diseño de anclajes para columna circular de 6” de diámetro.






Detalles constructivos:

Fig. 10.3: Detalle del anclaje de columnas (Circular o cuadrada) en pedestal de concreto

Fig. 10.4: Corte A-A para el caso de columna cuadrada






Fig. 10.5: Corte A-A para el caso de columna circular

Fig. 10.6: Vista en planta de la placa base para el caso de columna cuadrada






Fig. 10.7: Vista en planta para el caso de columna circular






Fig. 10.8: Detalle para vaciado de grout

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