Proyecto Edificio

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TRABAJO FINAL DISEÑO DE ESTRUCTURAS METÁLICAS ROBERTO MORALES MEDINA UNIVERSIDAD LA SALLE PACHUCA A. C.

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Diseño de estructuras metalicas

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TRABAJO FINAL

DISEÑO DE ESTRUCTURAS METÁLICAS

ROBERTO MORALES MEDINAUNIVERSIDAD LA SALLE PACHUCA A. C.

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Contenido

INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................2

Morfología de la estructura........................................................................................................2

Especificación de los materiales...............................................................................................5

ANÁLISIS DE CARGAS.................................................................................................................6

Análisis de cargas.......................................................................................................................6

Determinación de tableros y áreas tributarias.........................................................................7

ANÁLISIS ESTRUCTURAL...........................................................................................................9

Modelado y análisis estructural...............................................................................................10

DISEÑO ESTRUCTURAL ETABS 2013....................................................................................13

Diseño de trabes.......................................................................................................................13

Diseño de columnas..................................................................................................................15

DISEÑO ESTRUCTURAL POR MEDIOS MANUALES...........................................................17

Diseño de viga...........................................................................................................................17

Diseño de placa base...............................................................................................................19

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INTRODUCCIÓN

Morfología de la estructura.

De acurdo con las normas técnicas complementarias, el articulo 174 menciona el

grupo correspondiente para el tipo de edificio con el que se está diseñando.

II. Grupo B. construcciones comunes destinadas a vivienda, oficinas y locales

comerciales, hoteles y construcciones comerciales e industriales no incluidas en el

grupo A, las que se dividen en:

a) Subgrupo B1. Construcciones de más de 30 m de altura o con más de 6,000 m²

de área total construida, ubicadas en las zonas I y II según se definen en el

artículo 175, y construcciones de más de 15 m de altura o 3,000 m² de área total

construida en zona III

Por lo anterior determinamos que el edificio presente se encuentra dentro del

Grupo B1.

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Las plantas arquitectónicas arrojan las siguientes áreas de trabajo que conforman

el edificio por cada nivel.

SOTANO

Estacionamiento.

PLANTA BAJA

Tres salas.

Tres comedores.

Tres cocinas.

Cinco dormitorios.

Siete baños completos.

Tres cuartos de servicio.

PLANTA ALTA

Sala.

Comedor.

Cocina.

Cinco dormitorios.

Cuatro baños completos.

Cuarto de servicio.

Especificación de los materiales.

Para el análisis de bajada de cargas, es indispensable saber el tipo, la calidad y

las características principales de los materiales a utilizar. La calidad es regulada

por organismos gubernamentales, en México la Secretaría de Comercio y

Fomento Industrial (SECOFI) a través de la Dirección General de Normas (DGN)

publica en el diario oficial, las Normas Oficiales Mexicanas de los productos y

servicios.

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El Reglamento de Construcciones especifica las normas que rigen la calidad de

los materiales utilizados en sus diseños; madera, concreto, acero y mampostería.

El plástico y el aluminio así como otros materiales regularmente no se utilizan para

fines estructurales en México, no tienen una norma establecida para estas

aplicaciones. Esto no implica que no se puedan utilizar, si no que en caso de

usarse se incluya un estudio de calidad que demuestre que el material es apto

para dicha aplicación, así como las recomendaciones de su uso.

Algunas instituciones no basan sus estudios de calidad en las NOM, sino en las

normas americanas tales como las del ASTM.

De acuerdo al Reglamento de Construcciones del D. F. el Artículo 255 menciona

lo siguiente:

Los materiales empleados en la construcción deberán cumplir con las siguientes

disposiciones:

La resistencia, calidad y características de los materiales empleados en la

construcción, serán las que se señales en las especificaciones de diseño y los

planos constructivos registrados, y deberán satisfacer las NTC del RCDDF y las

normas de calidad establecidas por la Secretaría de Comercio y Fomento

Industrial.

ANÁLISIS DE CARGAS

Análisis de cargas.

En el contenido de los planos del edificio no se encuentran especificados los

materiales de los elementos, por este motivo los materiales que propongo son:

Losa de azotea:

o Impermeabilizante marca “x” con espesor de .5 cm.

o Entortado de 6.5 cm de grosor.

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o Losa maciza con 12 cm de peralte.

o Capa de Tirol de 1 cm.

Losa de entrepiso:

o Piso de loseta cerámica.

o Losa maciza con 12 cm de peralte.

o Capa de Tirol de 1 cm.

Muros:

o Muros divisorios de tabique rojo recocido de 7x12x24.

o Aplanado fino.

Resultando las siguientes cargas:

Losa de azotea Losa de entrepiso

Material Peso (kg/m2) Material Peso (kg/m2)

Impermeabilizante 5 Loseta 30Relleno (entortado) 78 Losa 288

Losa 288 Tirol 16Tirol 16 RCDF 20

RCDF 40 Carga Muerta 354

Carga Muerta 427 Carga Viva 170Carga Viva 100 Carga Total 524Carga Total 527

Determinación de tableros y áreas tributarias.

La siguiente figura nos muestra la ubicación y áreas en de los tableros.

Losa se azotea:

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Losa de entrepiso:

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La tabla siguiente proporciona la carga que se genera en los niveles de entrepiso y

la carga que se genera en el nivel de azotea.

Áreas Tributarias

ÁreaSección (m) Área (m2) Peso (kg/m2)

AzoteaPeso (kg/m2)

Entrepiso

Lado Corto Lado Largo Triangulo Trapeci

o Triangulo Trapecio Triangulo Trapecio

A1 6.20 6.49 9.61 10.51 5064.47 5538.24 5064.47 5296.54A2 2.00 6.20 1.00 5.20 527.00 2740.40 527.00 2620.80A3 4.50 6.20 5.06 8.89 2667.94 4683.71 2667.94 4479.30A4 4.00 6.20 4.00 8.40 2108.00 4426.80 2108.00 4233.60A5 6.20 6.50 9.61 10.54 5064.47 5554.58 5064.47 5312.16A6 4.00 5.40 4.00 6.80 2108.00 3583.60 2108.00 3427.20A7 1.65 3.25 0.68 2.00 358.69 1054.33 358.69 1008.32A8 2.84 3.25 2.02 2.60 1062.64 1369.46 1062.64 1309.69A9 1.65 2.15 0.68 1.09 358.69 576.08 358.69 550.94

A10 2.15 2.84 1.16 1.90 609.01 999.92 609.01 956.28A11 6.20 8.99 9.61 18.26 5064.47 9622.49 5064.47 9202.54A12 2.50 3.25 1.56 2.50 823.44 1317.50 823.44 1260.00A13 2.15 2.50 1.16 1.53 609.01 807.30 609.01 772.07

ANÁLISIS ESTRUCTURAL

Una vez obtenido el análisis de cargas gravitacionales de la estructura, dibujo el

modelo de la estructura considerando longitudes, secciones, materiales y se

vaciaron los datos de cargas al software ETABS 2013.

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Modelado y análisis estructural.

Las cargas gravitacionales se ingresaron en el estado de carga CL = carga viva +

carga muerta, CL = 1.4cm + 1.7cv.

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Y como resultado tenemos:

Momentos:

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Cortantes:

Selección de los elementos de diseño

Se realiza un preselección de las secciones del perfil de acero para las vigas y

columnas, para que el proceso constructivo sea más fácil se optara por

seleccionar un solo tipo de perfil para las vigas y uno para las columnas estos son

W 10 X 39 y W 14 X 34 respectivamente.

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DISEÑO ESTRUCTURAL ETABS 2013

A continuación se realiza el diseño estructural de la trabe más críticas utilizando el

programa.

Diseño de trabes.

ETABS 2013 Steel Frame DesignAISC 360-10 Steel Section Check (Strength Summary)

Element Details

Level Element Location (in) Combo Element Type Section ClassificationNivel 2 B131 3.375 DStlS2 Special Moment Frame W10X39 Compact

LLRF and Demand/Capacity Ratio

L (in) LLRF Stress Ratio Limit 353.9370 1 0.95

Analysis and Design Parameters

Provision Analysis 2nd Order ReductionLRFD Direct Analysis General 2nd Order Tau-b Fixed

Stiffness Reduction Factors

αPr /Py αPr /Pe τb EA factor EI factor0 0 1 0.8 0.8

Design Code Parameters

Φb Φc ΦTY ΦTF ΦV ΦV-RI ΦVT

0.9 0.9 0.9 0.75 0.9 1 1

Section Properties

A (in²) J (in⁴) I33 (in⁴) I22 (in⁴) Av3 (in²) Av2 (in²)11.5 0.98 209 45 8.47 3.12

Design Properties

S33 (in³) S22 (in³) Z33 (in³) Z22 (in³) r33 (in) r22 (in) Cw (in⁶)42.14 11.26 46.8 17.2 4.2631 1.9781 993.2

Material Properties

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E (lb/in²) fy (lb/in²) Ry α29000000 50000 1.1 NA

Stress Check forces and Moments

Location (in) Pu (kip) Mu33 (kip-ft) Mu22 (kip-ft) Vu2 (kip) Vu3 (kip) Tu (kip-ft)3.375 0 -63.6359 0 -11.804 0 -0.1421

Axial Force & Biaxial Moment Design Factors (H1.3a,H1-1b)

L Factor K1 K2 B1 B2 Cm

Major Bending 0.981 1 1 1 1 1 Minor Bending 0.981 1 1 1 1 1

Parameters for Lateral Torsion Buckling

Lltb Kltb Cb

0.981 1 1.82

Demand/Capacity (D/C) Ratio Eqn.(H1.3a,H1-1b)

D/C Ratio = (Pr /2Pc ) + (Mr33 /Mc33 ) + (Mr22 /Mc22 )0.363 = 0 + 0.363 + 0

Axial Force and Capacities

Pu Force (kip) ϕPnc Capacity (kip) ϕPnt Capacity (kip)0 84.338 517.5

Moments and Capacities

Mu Moment (kip-ft) ϕMn Capacity (kip-ft) ϕMn No LTBD (kip-ft) Major Bending 63.6359 162.4817 175.5 Minor Bending 0 64.5

Shear Design

Vu Force (kip) ϕVn Capacity (kip) Major Shear 11.804 93.744 Minor Shear 0 228.674

End Reaction Major Shear Forces

Left End Reaction (kip) Load Combo Right End Reaction (kip) Load Combo11.804 DStlS2 11.411 DStlS2

Diseño de columnas.

ETABS 2013 Steel Frame Design

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AISC 360-10 Steel Section Check (Strength Summary)

Element Details

Level Element Location (in) Combo Element Type Section ClassificationNivel 3 C17 0 DStlS2 Special Moment Frame W14X34 Compact

LLRF and Demand/Capacity Ratio

L (in) LLRF Stress Ratio Limit 106.2992 0.787 0.95

Analysis and Design Parameters

Provision Analysis 2nd Order ReductionLRFD Direct Analysis General 2nd Order Tau-b Fixed

Stiffness Reduction Factors

αPr /Py αPr /Pe τb EA factor EI factor0.085 0.059 1 0.8 0.8

Design Code Parameters

Φb Φc ΦTY ΦTF ΦV ΦV-RI ΦVT

0.9 0.9 0.9 0.75 0.9 1 1

Section Properties

A (in²) J (in⁴) I33 (in⁴) I22 (in⁴) Av3 (in²) Av2 (in²)10 0.57 340 23.3 6.14 3.99

Design Properties

S33 (in³) S22 (in³) Z33 (in³) Z22 (in³) r33 (in) r22 (in) Cw (in⁶)48.57 6.9 54.6 10.6 5.831 1.5264 1069.72

Material Properties

E (lb/in²) fy (lb/in²) Ry α29000000 50000 1.1 NA

Stress Check forces and Moments

Location (in) Pu (kip) Mu33 (kip-ft) Mu22 (kip-ft) Vu2 (kip) Vu3 (kip) Tu (kip-ft)0 -42.454 4.8652 22.9192 1.265 5.361 0.0001

Axial Force & Biaxial Moment Design Factors (H1-1b)

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L Factor K1 K2 B1 B2 Cm

Major Bending 0.907 1 1 1 1 0.232 Minor Bending 0.907 1 1 1 1 0.249

Parameters for Lateral Torsion Buckling

Lltb Kltb Cb

0.907 1.132 2.256

Demand/Capacity (D/C) Ratio Eqn.(H1-1b)

D/C Ratio = (Pr /2Pc ) + (Mr33 /Mc33 ) + (Mr22 /Mc22 )0.664 = 0.064 + 0.024 + 0.577

Axial Force and Capacities

Pu Force (kip) ϕPnc Capacity (kip) ϕPnt Capacity (kip)42.454 333.536 450

Moments and Capacities

Mu Moment (kip-ft) ϕMn Capacity (kip-ft) ϕMn No LTBD (kip-ft) Major Bending 4.8652 204.75 204.75 Minor Bending 22.9192 39.75

Shear Design

Vu Force (kip) ϕVn Capacity (kip) Major Shear 1.265 119.7 Minor Shear 5.361 165.848

Joint Design

Continuity Plate Area (in²) Load Combo Doubler (in) Load Combo1.69 DStlS2 0 DStlS2

DISEÑO ESTRUCTURAL POR MEDIOS MANUALES.

Diseño de viga.

La viga se diseñó de la siguiente manera.

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Vmax=524 (9 )2

=2358 kgMmax=524 (9)2

8=5305.5 kg−m

Usar fb = 1000 Kg/cm2 para proponer secciones.

S=Mfb

=5305.51000

=5.31cm 3

Se propone una W 10 X 39.

Largo del patín: 20.31 cm

Ancho del patín: 1.35 cm

Altura: 25.2 cm

Ancho del alma: 0.8 cm

Verificando si es compacta la sección:

A) Los patines y el alma se encuentran en forma continua.

B)

bf2tf

=20.312¿¿

C)

bftf

=20.371.35

=15.09

D)

F= Md−tf

= 5305.525.2−1.35

=222.45≈223 kg

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Page 19: Proyecto Edificio

Af=20.31 (1.35 )+ [25.2−2 (1.35 ) ] .86

=30.5cm2

fa= FAf

= 22330.5

=7.31 kgcm2

Revisando el cortante:

htw

=22.50.8

=28.125< 3700√Fy

=73.6

Fv=.4 Fy=1012 kgcm 2

fv= 87522.5 (0.8 )

=48.61

Revisando por flecha:

∆ max= 5ωl4

384 EI=

5 (5 ) (900 )4

384 (2.039 x106 ) (903 )=23.20 cm

δpermn= l240

+0.5=900240

+ .5=4.25cm

δperms= l480

+0.3=900480

+.3=2.175 cm

δperm= l360

=900360

=2.5cm

Diseño de placa base.

Perfil: W 14 X 34

Fy: 50 ksi

F’c: 3 ksi

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Zapata de 9 x 9 ft

d: 13.98 in

bf: 6.745 in

A2=(12∗9 ) (12∗9 )=11664∈2

Determinación del área requerida para la placa base.

√ A2A1

≥2

A1= Pu

∅ c (0,85 f 'c )√ A2A1

= 3.470.6∗0.85∗3∗2

=1.22∈2

√ A2A1

=√ 116641.22

=97.78>2

La placa base debe ser por lo menos tan grande como la columna.

A1=d∗bf=13.98∗6.745=94.3∈2

Optimización de las dimensiones de la placa base.

∆=0.95d−0.8bf2

=(0.95∗13.98 )−(0.8∗6.75 )

2=3.94∈¿

N=√A1+∆=√1.22+3.94=5.04∈¿

B= A1N

=1.225.04

=0.24∈¿

Calculo del espesor requerido para la placa base.

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m= N−0.95d2

=5.04−0.95 (13.98 )

2=−4.12∈¿

n=B−0.8bf2

=0.24−0.8(6.745)2

=−2.578∈¿

∅ cPp=0.6 ( 0.85 f ' cA1 )√ A2A1

2

=0.6 (0.85 ) (3 ) (5.04 ) (0.24 ) (2 )=3.7 klb

X= 4dbf(d+bf )2 (

Pu∅ cPp )= 4 (13.98 ) (6.745 )

(13.98+6.745 )2 ( 3.473.7 )=0.823

λ= 2√X1+√1−X

= 2√0.8231+√1−0.823

=1.27>1.0Use1

λn'= λ √dbf4

=1√(13.98 ) (6.745 )4

=2.43∈λmax=2.43

treq=λ√ 2Pu0.9FyBN

=2.43√ 2(3.47)0.9 (36 )(0.24)(5.04)

=1.02∈¿

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