Tesis Analisis Estructura en Guatemala

Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera Civil

DISEO ESTRUCTURAL DEL ALBERGUE SAN MIGUEL FEBRES CORDERO UBICADO EN LA COLONIA VENEZUELA ZONA 21 DE GUATEMALA

Rudy Armando Flores Cordova Asesorado por el Ing. Alfredo Arrivillaga Ochaeta

Guatemala, febrero de 2004

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERA


PRESENTADO A JUNTA DIRECTIVA DE LA FACULTAD DE INGENIERA

POR

RUDY ARMANDO FLORES CORDOVA

AL CONFERRSELE EL TTULO DE INGENIERO CIVIL

GUATEMALA, FEBRERO DE 2004

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERA

NMINA DE JUNTA DIRECTIVA

DECANO: VOCAL I: VOCAL II: VOCAL III: VOCAL IV: VOCAL V: SECRETARIO:

Ing. Sydney Alexander Samuels Milson Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos Lic. Amahn Snchez Alvarez Ing. Julio David Galicia Celada Br. Kenneth Issur Estrada Ruiz Br. Elisa Yazminda Vides Leiva Ing. Pedro Antonio Aguilar Polanco

TRIBUNAL QUE PRACTIC EL EXAMEN GENERAL PRIVADO DECANO: EXAMINADOR: EXAMINADOR: EXAMINADOR: SECRETARIO: Ing. Sydney Alexander Samuels Milson Ing. Carlos Salvador Gordillo Ing. Luis Gregorio Alfaro Vliz Ing. Angel Roberto Sic Garca Ing. Pedro Antonio Aguilar Polanco

HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR

Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San Carlos de Guatemala, presento a su consideracin mi trabajo de graduacin titulado:


Tema que me fuera asignado por la Direccin de la Escuela de Ingeniera Civil con fecha 22 de agosto de 2003.

Rudy Armando Flores Cordova

AGRADECIMIENTOS

A todas aquellas personas que prestaron su ayuda para la elaboracin del presente informe de E.P.S.

Primeramente quiero hacer presente mi gratitud para al ingeniero Luis Crdova, ya que en gran parte gracias a su ayuda, este trabajo fue posible.

Debo destacar los consejos y sugerencias dados por los ingenieros: Juan Miguel Rubio y Mario Corzo, as como el apoyo prestado por el asesor del presente informe Ingeniero Alfredo Arrivillaga.

Tambin reconocer los aportes de mis amigos los ingenieros infieris: Luis Contreras y Gerson Daz .

En estas ltimas, lneas quiero agradecer a todas esas personas que a lo largo de mis 25 aos de existencia han confiado y credo en m, permitindome tener el privilegio de estudiar, sin su amistad, ayuda y apoyo me hubiese resultado imposible el estudiar, a m solo me dieron la oportunidad que muchos no tienen, mil gracias.

ACTO QUE DEDICO A:La memoria de mi abuelito Armando Guillermo Flores Salazar Mis padres Rudy Augusto y Eva de la Luz Mis hermanos Cristian y Africa Mi abuelita Maria Cristina La Ingeniera Vera Gladis Marroqun Doa Alicia Viuda. De Avila y familia M to Hugo Arriola y su familia. El Ingeniero Pedro Rosito Los ingenieros infier: Luis Contreras, Ricardo Villatoro y Pablo Quiones La familia: Argueta Policarpio La familia: Coc Palomo

A todos mis familiares y amigos A la Facultad de Ingeniera, de la Universidad de San Carlos de Guatemala Al pueblo de Guatemala

NDICE GENERAL

NDICE DE ILUSTRACIONES LISTA DE SMBOLOS GLOSARIO RESUMEN OBJETIVOS INTRODUCCIN

IX XVII XIX XXIII XXV XXVII

1.

INVESTIGACIN 1.1 1.2 1.3 1.4 Monografa de la parroquia San Miguel Febres Cordero Mapa de ubicacin Fotografa area de la parroquia Ubicacin del rea del albergue dentro del polgono libre de la parroquia

1 1 3 4 4

2.

ASPECTOS FUNDAMENTALES DEL DISEO ESTRUCTURAL DE EDIFICIOS 2.1 2.2 Estructuracin o concepcin estructural Aspectos tericos que pertenecen al anlisis estructural 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 Sismo Sismologa Movimientos del suelo en un sismo Escalas ssmicas 2.2.4.1 2.2.4.2 Escalas de intensidad Escalas de magnitud 5 5 6 6 7 7 8 9 9

I

2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.2.8 2.2.9

Inercia Periodo Amortiguamiento Ductilidad Rigidez

11 11 12 12 12 13 14 15 15 15 16 17 17 19 20 21 22 22 23

2.2.10 Espectro de respuesta 2.2.11 La configuracin 2.2.12 Influencia de la configuracin sobre el comportamiento ssmico 2.2.12.1 Escala 2.2.12.2 Altura 2.2.12.3 Tamao horizontal 2.2.12.4 Proporcin 2.2.12.5 Simetra 2.2.12.6 Distribucin y concentracin 2.2.12.7 Densidad de la estructura en planta 2.2.12.8 Resistencia perimetral 2.2.12.9 Redundancia 2.3 2.4 Caractersticas deseables de la concepcin estructural La concepcin estructural en la respuesta ssmica de los edificios 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.5 2.5.1 2.5.2 La forma Las proporciones La planta La continuidad vertical de la forma Traslacin y rotacin Centro de masa (CM) y centro de rigidez (CR)

26 29 31 35 38 40 43

Los elementos que integran el sistema

II

2.6 2.7

Recomendaciones sobre la disposicin de los elementos sismorresistentes verticales. Los marcos y muros aislados 2.7.1 2.7.2 Las proporciones Caractersticas que influyen en la respuesta ssmica 2.7.2.1 El piso blando 2.7.2.2 Efecto de columna corta 43 46 47 47 50 52 55 55 55 56 57 59 60 60 61 63

2.8

Predimensionamiento de elementos estructurales 2.8.1 Predimensionamiento vigas 2.8.1.1 2.8.1.2 2.8.1.3 2.8.1.3 2.8.2 Criterios de diseadores guatemaltecos Recomendaciones del IMCYC/ACI Tabla 9.5 (a) del cdigo ACI 318-99 Requisitos geomtricos de las N.T.C. para concreto del D.F. Predimensionamiento de columnas 2.8.2.1 2.8.2.2 2.8.2.3 Criterios de diseadores guatemaltecos Recomendaciones del IMCYC/ACI Requisitos geomtricos de las N.T.C. para concreto del D.F.

3.

CARGAS DE DISEO 3.1 3.2 3.3 Cargas verticales Cargas laterales Clculo de cargas verticales en la estructura 3.3.1 Integracin de cargas verticales por el mtodo de anchos tributarios

65 65 66 66 66

III

3.3.1.1 3.3.1.2 3.4 3.5

Integracin de cargas verticales: losas horizontales en un sentido Integracin de cargas verticales: losas horizontales en dos sentidos 68 69 70 74 74 75 75 76 77 77 80 67

Calculo de cargas laterales en la estructura (sismo) 3.4.1 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.5 3.5.6 Mtodo SEAOC68 Fm cuando existe simetra estructural Fm cuando no existe simetra estructural Clculo de centro de masa (C.M.) Clculo de centro de rigidez (C.R.) Clculo de excentricidad (e) Clculo de fuerzas por marco Distribucin de cargas ssmicas por marco

3.6

Combinaciones de carga

4.

ANLISIS ESTRUCTURAL 4.1 4.2 Mtodos aproximados de anlisis Mtodos exactos y paquetes de anlisis computacional

81 82 82

5.

DISEO DE ELEMENTOS DE CONCRETO ARMADO 5.1 Diseo de losas 5.1.1 5.1.2 5.2 5.3 5.4 5.5 Diseo de losas en una direccin Diseo de losas en dos direcciones

85 85 85 88 89 92 98 100

Diseo de vigas Diseo de columnas Diseo de vigas ssmicas Diseo de cimentacin

IV

5.6

Diseo de escaleras

105

6.

DISEO ESTRUCTURAL DEL ALBERGUE PARROQUIAL 6.1 6.2 6.3 Presentacin del proyecto Datos utilizados en el diseo Predimensionamiento de elementos estructurales 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.5 6.6 6.7 Predimensionamiento de vigas Clculo de espesor (t) de losas Predimensionamiento de columnas

109 109 109 112 112 114 114 118 118 122 122 123 123 124 125 128 130 134 135 137 138 142

Clculo de elementos de hormign armado Clculo de losas Clculo de cargas sobre la estructura 6.7.1 6.7.2 Integracin de cargas verticales Integracin de cargas laterales (mtodo SEAOC) 6.7.2.1 3.7.2.2 6.7.3 Determinacin del corte basal en x-x Determinacin del corte basal en y-y

Distribucin de cargas ssmicas por marco

6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14

Anlisis estructural Envolventes de momentos marcos A y 3 Clculo de vigas Clculo de columnas Clculo de vigas ssmicas Clculo de cimentacin Clculo de escaleras

7.

COSTOS UNITARIOS 7.1 Renglones de trabajo

145 145

V

7.2

Costo primer nivel 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.2.7 7.2.8 7.2.9 7.2.10 7.2.11 7.2.12 7.2.13 Demolicin Obras de proteccin Guardiana y bodega Desmonte y nivelacin Trazos y estaqueado Excavacin Zapatas Viga ssmica Columnas 1 nivel Losa 1 nivel Vigas 1 nivel Viga auxiliar 1 nivel Mdulo de gradas 1 nivel Columnas 2 nivel Losa 2 nivel Vigas 2 nivel Viga auxiliar 2 nivel Mdulo de gradas 2 nivel Columnas 3 nivel Losa 3 nivel Vigas 3 nivel Viga auxiliar 3 nivel Mdulo de gradas 3 nivel

146 146 146 147 147 148 148 149 150 151 152 153 154 155 156 156 157 158 159 160 161 161 162 163 164 165

7.3

Costo segundo nivel 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5

7.4

Costo tercer nivel 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4 7.4.5

VI

CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRAFA APNDICES

167 169 171 175 177

VII

VIII

NDICE DE ILUSTRACIONES

ILUSTRACIONES 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Localizacin de la parroquia San Miguel Febres Cordero, en la zona 21 de la ciudad de Guatemala Fotografa area de la parroquia San Miguel Febres Cordero Ubicacin del rea del albergue dentro del polgono libre de la parroquia Modelo dinmico en estructuras: sistema masa-resorte Grfica de espectro de respuesta. Tipos de simetra en las edificaciones Simetra insuficiente Distribucin de elementos resistentes Localizacin de muros de cortante para resistir efectos de volteo y torsin 10 Configuracin de fuerzas inerciales provocadas por un sismo en una estructura 11 Sistema de piso o diafragma y su interaccin con las fuerzas inerciales 12 Cualidades de la forma 13 Asimetra en un edificio 14 Discontinuidad vertical en un edificio 15 Discontinuidad horizontal en un edificio 16 Discontinuidad y asimetra en un edificio 17 Proporciones mximas recomendadas de un edificio en funcin de su ancho 29 25 26 27 27 28 28 24 21 4 11 14 18 19 20 3 4

IX

18 Esbeltez de un edificio e interaccin de las fuerzas inerciales con respecto a las fuerzas de tensin y compresin experimentadas por las columnas perimetrales 19 Desplazamientos del edificio debidos a la esbeltez y flexibilidad del mismo 20 En edificios de planta muy larga se debe dividir el edifico con juntas de construccin 21 Tipos de plantas para edificios 22 Respuesta de la planta ante la accin de fuerzas ssmicas 23 Consideraciones para plantas irregulares de edificios con poca altura en zonas de bajo riesgo ssmico (edificios resueltos como unidad) 24 Consideraciones para plantas irregulares de edificios con 34 plantas irregulares de edificios altos 34 35 36 36 37 38 39 39 40 altura moderada en zonas de bajo riesgo ssmico medio (edificios resueltos como unidad) 25 Consideraciones para en zonas ssmicas (colocar junta ssmica) 26 Ubicacin de las juntas ssmicas en funcin de las proporciones de la planta 27 Continuidad ptima y discontinuidades aceptables en la forma vertical de los edificios. 28 Observaciones sobre la discontinuidad vertical en edificios escalonados 29 Ejemplos de distribucin inadecuada de masa y rigidez 30 Edificio con configuracin compleja 31 Retcula tridimensional de un edificio 32 Elementos verticales sismorresistentes 33 Elementos verticales sismorresistentes en elevacin 33 31 32 33 30 30

X

34 Comportamiento idealizado de los diafragmas rgidos ante fuerzas inerciales 35 Efectos de la traslacin, dependen nicamente de la densidad de los muros. 36 Dependiendo de una mayor o menor distribucin de los elementos verticales sismorresistentes, se aumentara o disminuir la traslacin en el edificio. 37 Rotacin magnificada por efectos de la simetra. 38 Simetra recomendable 39 Posibles distribuciones de los elementos sismorresistentes verticales 40 Simetra en muros sismorresistentes 41 Ubicacin de centros rgidos en edificios 42 Simetra y capacidad torcional en edificios 43 Factor cuantitativo 44 Proporciones mximas recomendadas para marcos o muros 45 Simetra y antisimetria en la distribucin de marcos 46 Continuidad y discontinuidad de los elementos verticales 47 Eliminaciones de elementos en marcos 48 Conservacin de la continuidad horizontal en marcos 49 Voladizo asimtrico y solucin de discontinuidad vertical 50 Piso blando 51 Muro cortante perimetral para paliar piso blando 52 Relacin rigidez-desplazamiento-corte en marcos con columnas simtricas 53 Relacin rigidez-desplazamiento-corte en marcos con columnas asimtricas 54 Sistema de piso en desnivel 55 Juntas en muros de mampostera, para evitar confinar columnas 53 53 54 52 44 44 45 45 46 47 48 48 49 49 50 51 52 42 42 43 41 41

XI

56 Edificio en desnivel 57 Requisitos geomtricos de elementos sometidos a flexin segn R.C.D.F. 58 rea tributaria de columnas 59 Requisitos geomtricos de elementos sometidos a flexocompresin segn R.C.D.F. 60 rea tributaria y ancho tributario para losa en un sentido 61 rea tributaria y ancho tributario para losa en dos sentidos 62 Distribucin de carga basal en cada nivel 63 Cargas por torsin 64 Diagrama de interaccin de columnas 65 Viga ssmica 66 Diagrama de fuerzas en zapata contina 67 Interaccin de esfuerzos de la zapata con respecto a sus fuerzas resistivas internas 68 rea de refuerzo transversal de zapata combinada 69 rea escaln 70 Modelo matemtico de una viga empotrada en un extremo y apoyada en otro 71 Detalles de armadura para escaleras con un apoyo empotrado y otro simplemente apoyado 72 Planta estructural de piso tpica 73 Modelo matemtico de la estructura en y-y 74 Modelo matemtico de la estructura en x-x 75 Distribucin de elementos estructurales (vigas y columnas) en planta 76 Seccin predimensionada de la viga 77 Planta de losas tpicas 78 Relacin emprica de la seccin de las columnas 79 rea tributaria de columna crtica

54 59 60 63 67 68 74 78 97 98 100 102 103 106 107 108 110 111 111 112 113 114 115 115

XII

80 Carga muerta en el marco A 81 Carga viva en el marco A 82 Carga ssmica en el marco A 83 Carga muerta y viva en el marco B 84 Carga ssmica en el marco B 85 Diagrama de cargas sobre la lnea de cimentacin 86 Diagramas de presiones, corte y momentos del sistema 87 Planta amueblada 88 Planta acotada 89 Planta de cimentacacin y columnas 90 Planta de vigas primer nivel 91 Planta de vigas segundo y tercer nivel 92 Planta de vigas cuartom y quinto nivel 93 Planta de detalles estructurales de losa y gradas

126 126 127 127 128 138 140 179 181 183 185 187 189 191

TABLAS I II III IV V VI VII VIII IX X XI Escala de intensidad Mercali Modificada (MM) Tabla del ACI318-83 que considera d de vigas en funcin del fc y acero grado 40 Tabla 9.5(a) del cdigo ACI318-99 Valores coeficiente Z Valores coeficiente K Factores de carga especificados por algunos cdigos Ecuaciones para el clculo de acero por corte (Asc) en vigas Predimensionamiento del peralte de las vigas Integracin de cargas sobre la columna Secciones de columnas Secciones de Elementos 57 58 71 72 80 91 113 116 117 117 10

XIII

XII XIII XIV XV XVI XVII XVIII XIX XX XXI XXII XXIII XXIV XXV XXVI XXVII XXVIII XXIX XXX XXXI XXXII XXXIII XXXIV XXXV XXXVI XXXVII XXXIX

Sentido en el que trabajan las losas Integracin de cargas verticales sobre la losa 1 Coeficientes para momentos en las losas por el mtodo 3 de la ACI Momentos de las losas de terraza eje x-x Balanceo de momentos de las losas de terraza eje x-x Momentos de las losas de terraza eje y-y Balanceo de momentos de las losas de terraza eje y-y As de momento resistente Diseo armado final terraza Integracin de cargas gravitacionales sobre marco A Integracin de cargas gravitacionales sobre marco 3 Fuerza de sismo por nivel en x-x. Fuerza de sismo por nivel en y-y Distribucin de fuerzas de piso por marco Combinaciones de carga del ACI 318-99 Envolventes de momentos para vigas del primer nivel Envolventes de momentos para vigas del segundo nivel Envolventes de momentos para vigas del cuarto nivel Envolventes de momentos para columnas niveles 1, 2 y 4 Envolventes de momentos para zapatas crticas Envolvente de diseo viga 2, 1 nivel Clculo de As en viga 2, 1 nivel Armado de As en viga 2, 1 nivel Momentos de diseo columna crtica 1 nivel Refuerzo de As, columna tpica 1 nivel Refuerzo de As a corte, columna tpica 1 nivel Armado de As, viga ssmica VA1-2

118 119

119 119 119 120 120 121 121 122 123 124 125 125 129 130 131 132 133 134 135 135 135 136 136 137 137 137

XXXVIII Refuerzo de As, viga ssmica VA1-2

XIV

XL XLI XLII XLIII XLIV XLV XLVI XLVII XLVIII XLIX L LI LII LIII LIV LV LVI LVI

MA = 0, Xmedia y Azapata Resultante de suelo Ps, peso cimentacin Pc y resultantes en C.G. Comprobacin de presiones Resultantes del sistema con b = 1.45 Nueva comprobacin de presiones Presiones actuantes Chequeo corte simple Chequeo corte punzonante Refuerzo estructural por flexin (As) Acero por temperatura (Ast) Chequeo de corte de vigas transversales As de refuerzo en vigas transversales Relaciones de comodidad que deben cumplir las escaleras Integracin de carga muerta sobre la escalera Clculo de momentos sobre la escalera Clculo de As, escaleras Chequeo corte y clculo de espaciamientos Armado de As en gradas

138 139 139 139 139 139 141 141 141 141 141 141 142 142 142 143 143 143

XV

XVI

LISTA DE SMBOLOS

Ach : Ag : As(+) : As(-) : Ast : AT : Av : b : CM : CU : CV : d : defec :

rea de un ncleo confinado rea gruesa de una columna rea de acero a tensin rea de acero a compresin rea total de acero longitudinal rea tributaria de un elemento rea de la varilla de estribo Ancho de un elemento Carga muerta Carga ultima de diseo Carga viva Peralte de un elemento Peralte efectivo

XVII

Ec : EI : Es : fc : fy : ln : r :

Mdulo de elasticidad del concreto Rigidez a la flexin Mdulo de elasticidad del acero Resistencia del concreto a compresin a los 28 das Esfuerzo de fluencia del acero Longitud libre entre elementos recubrimiento del acero Carga de sismo Espaciamiento de estribos Espaciamiento acero longitudinal Espesor de elemento Dimetro Factor de reduccin de carga

S : S : St : t :

: :

XVIII

GLOSARIO

Amplificador de Momentos

(Magnificador de Momentos). esbeltez de las columnas.

Factor de seguridad

obtenido a partir de la evaluacin de los efectos de

Cimentacin

Subestructura destinada a soportar el peso de la construccin transmitir que sobre gravitara el sobre terreno ella, las la cual cargas

correspondientes de una forma estable y segura. Dimensionar elementos de concreto reforzado Consiste en determinar mediante un proceso iterativo las dimensiones de elementos estructurales; que satisfagan de mejor manera las condiciones de carga de determinado proyecto. Ductilidad Capacidad de deformarse sin fractura en el rango inelstico, que presentan algunos materiales. Efecto de esbeltez Es la reduccin de resistencia de elementos

estructurales cuya relacin longitud-peralte es grande, cuando son sometidos a compresin axial o flexocompresin. Esfuerzo Magnitud de una fuerza por unidad de rea.

XIX

Estructura

Ordenamiento de un conjunto de elementos encargado de resistir los efectos de las fuerzas externas de un cuerpo fsico. Tambin se le llama a un sistema de elementos que se combinan de una forma ordenada para cumplir una funcin determinada, por ejemplo: cubrir una longitud, contener un empuje de tierras, cubrir un techo, conducir un caudal determinado, etc.

Envolvente de momentos

Diagrama de momentos donde se superponen los momentos producidos en la estructura de por las combinaciones de cargas, para determinar cuales son los momentos crticos y proceder a disear los elementos de la estructura con ellos.

Fatiga

Estado que presenta un material despus de estar sometido a esfuerzos de forma repetida, por encima de su lmite de tenacidad.

Fluencia

Fenmeno que se caracteriza porque un material sufra grandes deformaciones al ser sometido a un esfuerzo constante ante de producirse la falla. Como es el caso del acero a refuerzo.

Lmite de tenacidad

Es la capacidad del material para resistir una carga de energa hasta que sobrevenga su ruptura.

Longitud de desarrollo

Es la mnima medida de una varilla anclada al concreto, para evitar que falle por adherencia.

XX

Momento resistente

Es el resultado de multiplicar la fuerza de tensin o la de compresin, por el brazo del par interno.

Momento ltimo o de diseo

Es el momento resistente afectado por un factor de magnificacin, el cual nos asegura que los elementos estructurales son diseados para soportar las fuerzas internas actuantes con un cierto margen de seguridad.

Peso especfico

Se define como el peso por unidad de volumen.

XXI

XXII

RESUMEN

El informe, presenta el presupuesto y los planos estructurales de un edificio destinado para albergue, de medianas proporciones; haciendo un nfasis especial en aquellos aspectos tericos sobre la estructuracin de los edificios y tratando de establecer una metodologa simple de clculo. El primer captulo, consiste en una breve monografa de la institucin donde se desarrolla el proyecto de E.P.S (la parroquia San Miguel Febres Cordero). El segundo, es una introduccin a la estructuracin, parmetros En el siguiente, ssmicos a considerar, los principios fsicos aplicables a la estructuracin y su influencia sobre la expresin volumtrica final del edificio. la forma de determinar sus valores de diseo. En el cuarto, se abordan las ideas bsicas del anlisis estructural; para demostrar cmo ste sirve para determinar la respuesta estructural del proyecto. En el antepenltimo, se presenta la teora fundamental para el clculo de elementos de hormign armado. En el penltimo, se desarrolla el diseo estructural propiamente dicho de nuestro proyecto. Y finalmente, en el ltimo capitulo, los costos unitarios de la obra gris. entramos a analizar las principales acciones que se presentan en la estructura y

XXIII

XXIV

OBJETIVOS

General Disear estructuralmente un edificio de 5 niveles que sirva de albergue en la parroquia San Miguel Febres Cordero.

Especficos 1. Prestar a una institucin un servicio profesional. 2. Disear una obra civil la cual satisfaga los requisitos estructurales bsicos y que a la vez cumpla las funciones esenciales de un albergue. 3. Llevar a la prctica los conocimientos adquiridos en la Facultad de Ingeniera, en forma Terico-Prctica, para beneficio de la sociedad.

XXV

XXVI

INTRODUCCIN

Un albergue, es un edificio que bsicemnte busca dar alojamiento y a la vez servir de punto de reunin para grupos determinados de personas. Este tipo de edificaciones deben de contar con los servicios necesarios y adecuados para su funcin, as como que su configuracin estructural se encuentre acorde a las solicitaciones a las que se vera sometida. Al desarrollar el presente informe de E.P.S. se busca presentar un procedimiento bsico de diseo estructural de un edifico para albergue, haciendo un especial nfasis en aquellos aspectos tericos fundamentales para la concepcin y diseo de un edificio. Es por esto que en su marco terico se da una descripcin bsica sobre la estruccin de edificios, as como del predimensionamiento de los elementos sismoresistentes del sistema. Tratando de concatenar y enriquecer la formacin estructural recibida en la escuela, ya que se considero ms importante describir el porque se hace que el como se hace. En lo que respecta al marco prctico del informe no se desarrolla una detallada memoria de clculo, sino que los mismos son tabulados en tablas de fcil comprensin. En la parte final puede consultarse el presupuesto costo de la obra gris y en los apndices se puede consultar los planos estructurales del proyecto.

XXVII

XXVIII

1.

INVESTIGACIN

1.1

Monografa de la parroquia San Miguel Febres Cordero

La parroquia catlica San Miguel Febres Cordero, se encuentra ubicada en la 16 avenida 10-49 zona 21, colonia Venezuela; de la ciudad de Guatemala. Fue fundada el en el ao de 1980. Guatemala. Su labor pastoral-social extiende su cobertura geogrfica a las colonias: Venezuela Bellos Horizontes Nimajuyu I Nimajuyu II Covi-Hode Eureka Y los asentamientos o zonas precarias de: Cerro Gordo Loma Blanca Arenera Nuevo Amanecer I, II, III y IV. El Esfuerzo Santa Maria 1 Dentro de la jerarqua eclesistica la parroquia, depende directamente de la Arquidicesis de Santiago de

La paz La labor pastoral de la parroquia comprende: Misas Confesiones Bautizos Catequesis de: nios y jvenes Pastorales de: jvenes, familia, enfermos y social de la caridad Plan de evangelizacin. La labor social que lleva a cabo la parroquia se centra prestando los servicios de: Medicina general Laboratorio clnico Farmacia Psicologa Programa materno infantil Programa del adulto mayor Programa de silla de ruedas Trabajo social Pedagoga Humanidades Talleres de enseanza Gimnasio

2

1.2

Mapa de ubicacin

Figura 1. Localizacin de la parroquia San Miguel Febres Cordero, en la zona 21 de la ciudad de Guatemala

Fuente: Departamento de catastro, Municipalidad de Guatemala.

3

1.3

Fotografa area de la parroquia

Figura 2. Fotografa area de la parroquia San Miguel Febres Cordero

Fuente: Departamento de catastro, Municipalidad de Guatemala

1.4

rea del albergue dentro del polgono libre de la parroquia

Figura 3. Ubicacin del rea a remodelar dentro del polgono libre de la parroquia

rea total del polgono libre de la parroquia: 16,969.27 m2. rea de ubicacin del proyecto (ashurada): 236.01 m2. 4

2.

ASPECTOS FUNDAMENTALES DEL DISEO ESTRUCTURAL DE EDIFICIOS

El diseo estructural es el procedimiento mediante el cual se define los elementos que integran a las estructuras en lo referente a materiales, dimensiones, uniones, detalles en general y su ubicacin relativa en los edificios. Estos elementos debern presentar un comportamiento adecuado en condiciones de servicio y tener la capacidad para resistir las fuerzas a las que estn sometidos sin que se presente el colapso de la estructura. Esto lo describe magistralmente el Dr. Roberto Meli cuando afirma: Una construccin u obra puede concebirse como un sistema, entendindose por sistema un conjunto de subsistemas y elementos que combina en forma ordenada para cumplir con determinada funcin. Un edificio por ejemplo, est integrado por varios subsistemas: el de los elementos arquitectnicos para cerrar espacios, el estructural, las instalaciones elctricas, las sanitarias, las de acondicionamiento de aire y los elevadores. existe entre ellos...1 Todos estos subsistemas interactan de modo que en su diseo deben tenerse en cuenta la relacin que

2.1

Estructuracin o concepcin estructural

La estructuracin de un edificio es la primera etapa del diseo estructural. En ella se define el tamao y la forma del edifico, la naturaleza, tamao y ubicacin de todos los elementos estructurales.

5

As como la naturaleza, tamao y ubicacin de todos los elementos no estructurales que puedan influir en el comportamiento de la estructura. Comprende la definicin de geometra general de la estructura (tanto en planta como en elevacin), se establecen los materiales a emplear (concreto reforzado, mampostera reforzada, acero estructural, etc.) se determinan los sistemas estructurales resistentes tanto a cargas gravitacionales como ssmicas, se establecen los claros de vigas, tableros de losas y las alturas libres de los entrepisos, se proponen secciones y dimensiones tentativas de los elementos estructurales, se conceptualizan los tipos de uniones entre ellos, se definen los elementos no estructurales y su sistema de fijacin a la estructura.

2.2

Aspectos tericos que pertenecen a la concepcin estructural

Son las consideraciones que deben tomarse en cuenta al momento de proceder a la estructuracin de un edificio. Si estas nociones son aplicadas correctamente podremos obtener edificios bien concebidos estructuralmente. Los primeros aspectos se relacionan con la naturaleza de los movimientos ssmicos. Los siguientes corresponden a las propiedades mecnicas de las edificaciones ante cargas ssmicas.

2.2.1 Sismo Movimiento brusco y errtico de la superficie terrestre. Las vibraciones no poseen una trayectoria especfica y pueden presentarse en cualquier direccin.

6

Existen tres clases de movimientos ssmicos: tectnicos, volcnicos y artificiales. Los primeros son producto de la tensin de las placas tectnicas, con su zona de conflicto, que son reas cercanas a su frontera. Los volcnicos anuncian la cercana de erupciones y raramente son destructivos. Los sismos artificiales son producto de las actividades humanas en el subsuelo. De las tres clases de movimientos, la ms importante es la de origen tectnico debido a que la misma libera el 75% de la energa ssmica del planeta.

2.2.2 Sismologa Rama de la geofsica que estudia los terremotos. El estudio de la

sismologa es extensivo a la observacin del movimiento del suelo provocado por el deslizamiento de las placas tectnicas. Los deslizamientos de las placas tectnicas son producto de la convencin del magma, fundido en el ncleo terrestre. Dicha convencin deslizamientos en zonas fronteras de las placas dando as lugar a los movimientos ssmicos en las reas cercanas a estas fracturas (fallas).

2.2.3 Movimientos del suelo durante un sismo Los movimientos del suelo durante un sismo se manifiestan bsicamente en forma de ondas, considerando as, para tal efecto, la corteza terrestre, como un medio slido elstico continuo que transmite la energa irradiada desde el epicentro en todas las direcciones de dicho punto de inicio.

7

Las ondas ssmicas se clasifican segn la profundidad de donde son generadas. Las ondas de cuerpo o volumen son generadas a grandes profundidades, mientras que las superficiales se producen cercanas a la superficie terrestre. Las ondas llamadas de cuerpo o volumen son de tipo P y S. Las ondas P, hacen oscilar al suelo en la misma direccin que se propaga el sismo y son las que viajan ms rpidamente (hasta 6 km/s) debido a su direccin de expansin radial con respecto a la fuente. Esto provoca bsicamente compresin en el medio de transporte. Las ondas S provocan vibraciones perpendiculares a lo largo de su propagacin. Dichas ondas viajan ms lentamente (el doble de lentas, pero ms intensas) y producen esfuerzos de corte en el medio de transporte. Las ondas superficiales son las tipos: Rayleigh y Love. Las ondas Rayleigh (R), hacen vibrar al suelo, de forma elptica vertical y horizontalmente. Este movimiento es similar al movimiento de las ondas, en el agua. Las ondas Love (L), hace vibrar al suelo en forma horizontal, en sentido perpendicular a la propagacin de la onda, sin movimiento vertical. Las ondas de cuerpo viajan ms rpido que las ondas de superficie, de las ondas de superficie la tipo Love son ms veloces que la Rayleigh. distancia del foco o epicentro. 2.2.4 Escalas ssmicas Las medidas para describir los sesmos se pueden clasificar en escalas de intensidad y escalas de magnitud. La diferencia de arribo entre tipos de ondas sirve bsicamente, para determinar la

8

2.2.4.1 Escalas de intensidad Las escalas de intensidad son de carcter subjetivo, buscan medir los efectos de un sismo. Existen varias escalas de intensidad, pero la ms aceptada es la de Mercalli modificada (MM). Esta se divide en 12 grados de intensidad y determina el grado de intensidad de una zona afectada por el juicio subjetivo de las personas y esta influenciad por el tipo y calidad de las edificaciones, as como de la geologa del lugar.

2.2.4.2 Escalas de magnitud Son escalas que buscan establecer una medida cuantitativa del tamao de un sismo, independientemente del lugar de observacin. Se calcula a partir de mediciones de amplitudes registradas en sismogramas y se expresa en una escala logartmica en nmeros arbigos y decimales. La escala de magnitudes ms usada es la de Richter y se denota por M. est dada por: M = log A log A0 , Donde: A= amplitud mxima de la traza registrada por un instrumento estndar para un a distancia dada A0 = amplitud mxima para sismo particular seleccionado como estndar

(Ec. 1.1)

9

Tabla I. Escala de intensidad de Mercali Modificada (MM)Escala Mercali modificada 1 2 3 4 5 6 No sentido. Efectos marginales y de periodo lardo de sismos grandes. Sentido por personas que descansan, o ubicadas en pisos altos. Sentidos en interiores, los objetos colgantes oscilan. Los objetos colgantes oscilan, los automviles parqueados se mecen, las ventanas, platos, puertas; hacen ruido. La losa entrechoca. Se siente en el exterior. Se afectan los lquidos, algunos se derraman. Objetos inestables se desplazan y caen. Las puertas oscilan y se mueven cuadros y persianas. Todos lo sienten las personas caminan tambalendose. se agrieta. 7 8 9 Es difcil mantenerse de pie. Los conductores de autos lo sienten. Daos en mampostera tipo D, y agrietamiento en tipo. Cada de ladrillos fijos, piedras tejas y cornisas. Dao en mampostera tipo C, colapso parcial. Ciertos daos en mampostera tipo B, ninguno en A. Torcimiento, cada de chimeneas de fbricas, monumentos, torres, tanque elevados. Pnico general. Se destruye mampostera tipo D; daada gravemente la mampostera tipo C, la mampostera tipo B se daa. Dao general en cimentaciones. Los marcos se deforman. Daos graves en cisternas, la tubera subterrnea se rompe. Agrietamiento notable del suelo. 10 La mayor parte de la mampostera y de las estructuras de acero de marco se destruyen junto con sus cimientos. Se destruyen algunas estructuras y puentes de madera bien construidos. Daos graves en presas, diques, represas. Grandes deslizamientos de tierra. 11 12 Los rieles se doblan en gran medida. Los ductos subterrneos quedan completamente fuera de servicio. Dao casi total. Grandes masas rocosas se desplazan. Se distorsionan las lneas de mira y nivel. Los objetos son arrojados al aire. Mampostera tipo A: mano de obra, mortero y diseo de buena calidad diseada para sismo. Mampostera tipo B: mano de obra y mortero de buena calidad, no diseada para sismo. Mampostera tipo C: mano de obra y morteros ordinarios, pero no reforzada ni diseada. Mampostera tipo D: materiales dbiles, como adobe; mortero pobre. Las ventanas platos y cristalera se rompen. Los objetos caen de estantes, los muebles se desplazan o caen. La mampostera tipo D

Fuente: Dowrick, D. J. Diseo de estructuras resistentes a sismos para ingenieros y arquitectos. Mxico: Editorial Limusa, 1984. p.p. 393-395

10

2.2.5 Inercia Propiedad de la materia de resistencia al movimiento o cambio de direccin del mismo. La inercia de una edificacin es proporcional a su masa y las fuerzas a aplicar para simular un sismo en un modelo son un porcentaje del peso total de la estructura.

2.2.6 Perodo Intervalo de tiempo en el cual un sistema masa-resorte completa un ciclo completo de tiempo. La mayora de modelos dinmicos en estructuras se Cuando el periodo de reducen bsicamente a sistemas de este tipo.

movimiento de una estructura coincide con el periodo del suelo se produce resonancia, en la que el suelo y estructura actan como conjunto provocando mayor amplificacin de fuerzas dinmicas sobre la edificacin. Figura 4. Modelo dinmico en estructuras: sistema masa-resorteELEMENTO ELSTICO

uM

k cMASA

AMORTIGUADOR

SO

Modelo idealizado de simplificacin de movimiento de una estructura: So = U= K= C= Movimiento del suelo. Derivada o movimiento lateral de la estructura. Elemento elstico (rigidez del edificio) Sistema amortiguador. concreto reforzado utilizando las normas AGIES 1996, p. 7

Fuente: Diego Castellanos Gutirrez. Diseo de edificaciones con marcos rgidos de

11

2.2.7 Amortiguamiento Mecanismo mediante el cual un sistema masa-resorte disipa energa y vuelve a su estado original de reposo. El valor numrico del amortiguamiento corresponde a un porcentaje del amortiguamiento crtico, el cual consiste en el valor de amortiguamiento que en un sistema masa-resorte regresa al estado esttico al ser trasladado fuera de su posicin de reposo. En las estructuras, el amortiguamiento es proporcionado por el rango elstico de deformacin de las vigas y columnas.

2.2.8 Ductilidad Propiedad de la materia que permite su deformacin sin que la misma se rompa o astille. En estructuras, la ductilidad se utiliza, como mecanismo de disipacin de energa, para evitar el colapso de la edificacin cuando se ha excedido su capacidad estimada de carga lateral o vertical. En un sismo, las cargas laterales reales pueden exceder los valores estimados en el clculo, proporcionando de esta manera, la ductilidad de los miembros estructurales, el mecanismo ltimo de disipacin de energa.

2.2.9 Rigidez La rigidez es la capacidad de resistencia de un cuerpo a cambiar por la accin de fuerzas exteriores sobre el mismo. En estructuras el concepto de rigidez es relativo a la capacidad de deformacin de un miembro estructural (viga, columna, muro) ante la accin de fuerzas externas.

12

Analizando nuevamente el sistema masa-resorte, la rigidez, corresponde al elemento elstico, que reduce las desviaciones laterales a diferencia del amortiguador, que disipa la energa, para que el sistema vuelva al reposo. La importancia del concepto, radica en que la rigidez determina las deflexiones que presenta un miembro ante cargas externas y es por eso que la mayora de mtodos de anlisis estructurales utilizan matrices de rigideces para cuantificar fuerzas internas de una estructura. miembro es proporcional a su rigidez. Este postulado es especialmente importante en los desplazamientos Toda deformacin de un

laterales producidos por un sismo. Ya que un sistema de marcos generalmente se encuentra sujeto por una losa (diafragma rgido), que ocasiona que la distribucin de fuerzas sea proporcional a la rigidez de cada tramo.

2.2.10 Espectro de respuesta Grafica de relacin del perodo de una estructura en resonancia, con la aceleracin que la misma se halla sujeta a esta respuesta mxima. Al referir el perodo con el tipo de suelo se obtiene distintos tipos de curva que amplifican o mitigan las fuerzas dinmicas sobre el suelo estudiado. La mayora de cdigos utilizan esta relacin para obtener el corte basal y las ecuaciones utilizadas en el diseo corresponden a las curvas del espectro de respuesta.

13

Figura 5. Grafica de espectro de respuesta.

3.0

AMPLIACIN DINMICA D (T)

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

PERODO DE OSCILACIN T (SEG)

Fuente: Diego Castellanos Gutirrez. Diseo de edificaciones con marcos rgidos de concreto reforzado utilizando las normas AGIES 1996 p. 10

2.2.11 La configuracin Al disear estructuras de edificios se emplean modelos matemticos basados en hiptesis simplificadas en las que se influyen factores que representan a los conceptos involucrados. Es aconsejable que al llevar a cabo la estructuracin de los edificios, se trate, en la medida de lo posible, que sus estructuras sean conceptualizadas de manera tal, que representen configuraciones sencillas y simtricas y que estas caractersticas se cumplan tambin en lo referente a masas, rigideces y resistencias, tanto en planta como en elevacin.

14

Por esto se deben de seguir ciertos principios de configuracin, que buscan proporcionar una certeza en el comportamiento de la estructural ante el efecto de cargas dinmicas, que usualmente, son muy complejas.

2.2.12 Influencia de la configuracin sobre el comportamiento ssmico 2.2.12.1 Escala Este principio se relaciona principalmente, a la dimensin o tamao de la edificacin. En construcciones pequeas, tales como casas y edificios pequeos, pueden omitirse algunas consideraciones de geometra regular. En construcciones medianas o altas los principios de proporcin, simetra y redundancias son esenciales. Su desatencin provocara cargas indeterminadas de volteo y comportamiento errtico que requerir un anlisis dinmico cuidadoso.

2.2.12.2 Altura El aumento de la altura de un edificio es equivalente al aumento del claro de una viga en voladizo y lo es, permaneciendo igual todo lo dems. A medida que un edificio se hace ms alto, por lo general aumenta su perodo y un cambio de este significa un incremento o decremento del nivel de respuesta y de la magnitud de las fuerzas.

15

La altura se encuentra proporcionalmente relacionada con el perodo de la edificacin. Los edificios pequeos tendrn un corte basal mayor debido a su rigidez, los de mayor altura sufrirn menores cortes en su base, pero conforme se incrementa la altura, proporcionalmente se incrementa la rigurosidad de simetra geomtrica, proporcin y mtodos constructivos factibles. Pero el periodo de un edificio no es solamente una funcin de su altura, sino tambin de factores tales como la relacin entre altura y ancho, alturas de entrepisos, tipos de materiales y sistemas estructurales, magnitud y distribucin de la masa. De este modo, si se cambia el tamao de un edificio pueden cambiar al mismo tiempo una o ms de estas variables, su periodo y por lo tanto, aumentar o disminuir las fuerzas ssmicas.

2.2.12.3 Tamao horizontal Cuando la planta se vuelve extremadamente grande, incluso, si es una forma sencilla y simtrica, el edificio puede tener dificultad para responder como una unidad a las vibraciones ssmicas. Al determinar las fuerzas ssmicas, usualmente se supone que la estructura vibra como un sistema, en el que todos los puntos de una planta en el mismo nivel y en el mismo lapso, estn en la misma fase desplazamiento, velocidad y aceleracin y que tiene la misma amplitud. En realidad, las diversas partes de la base del edificio a todo lo largo de ste vibran asincrnicamente con aceleraciones diferentes, causando esfuerzos longitudinales de tensincompresin y desplazamientos horizontales adicionales. Algunos ingenieros estructurales recomiendan una longitud mxima del edificio del orden de 60 m.

16

2.2.12.4 Proporcin En el diseo ssmico, las proporciones de un edificio pueden ser ms importantes que su tamao absoluto. Para edificios altos, su relacin de esbeltez (altura/ancho) es un parmetro ms importante que su altura. Se sugiere limitar la relacin altura/ancho a 3 4. Mientras ms esbelto sea un edificio, peor sern los efectos de volteo en un sismo, y mayores los esfuerzos ssmicos en las columnas exteriores, en especial las fuerzas de compresin por volteo pueden ser bastante difciles de manejar.

2.2.12.5 Simetra El termino simetra, generalmente se refiere a una propiedad geomtrica del edificio. Un edificio puede ser simtrico respecto a dos ejes si su geometra es idntica en cualquier lado del eje (configuracin cuadrada, rectangular, circular etc.). Tambin, un edificio puede ser simtrico respecto a un solo eje (configuracin triangular, L T), pero asimtrico en cualquier otro eje que se pudiera trazar. Una construccin puede tener una configuracin geomtrica simtrica respecto a dos ejes y aun ser clasificada como irregular debido a la distribucin de la masa o a los elementos verticales de resistencia ssmica. Esto equivale a decir, que la simetra geomtrica no es condicin suficiente para que un edificio sea regular. Simetra estructural significa que el centro de masa y el centro de rigidez estn localizados en el mismo punto.

17

Figura 6. Tipos de simetra en las edificaciones

SIMETRA RESPECTO A 2 O MS EJES.

SIMETRA RESPECTO A 1 O MS EJE.

SIMETRA RESPECTO A NINGUN EJE.

SIMETRA RESPECTO A 2 O MS EJES, SI SE CONSIDERA SOLAMENTE EL EDIFICIO. CUANDO EL EDIFICOSE SUJETA AL SUELO, LAS MITADES SUPERIOR E INFERIOR NO SON VERDADERAMENTE SIMTRICAS.

SIMETRA RESPECTO A 1 EJE, AUNQUE ESA FORMA POSEE OTRAS VENTAJAS.

SIMETRA RESPECTO A NINGN EJE.

Fuente: Diego Castellanos Gutirrez. Diseo de edificaciones con marcos rgidos de concreto reforzado utilizando las normas AGIES 1996 p. 14

Una construccin puede tener una simetra estructural y an no ser regular. En la figura 7 se ilustran dos plantas simtricas respecto a dos ejes. Si las alas son muy cortas, como en el caso (a), la configuracin se aproxima a la forma excelente cuadrada. Si las alas son muy largas, como en el caso (b), se producirn severas concentraciones de esfuerzos en las esquinas interiores.

18

Figura 7. Simetra insuficiente

(a)Fuente: Ral Gmez Tremari.

(b)Fundamentos de diseo y construccin

sismo-resistente p. 59

2.2.12.6 Distribucin y concentracin El principio de simetra no cebe cumplirse nicamente con la geometra y la rigidez, es esencial que las cargas a soportar estn proporcionalmente repartidas en toda la estructura. Una gran masa (por ejemplo una deposito de agua en la parte superior del edificio), provocara concentraciones de esfuerzos y momentos de volteo en sus miembros soportantes, esto debido a que la presencia de grandes masas produce inercias altas. Aunque las plantas de la figura 8 son simtricas; en el caso de la izquierda no tiene columnas interiores y son del mismo tamao a las del caso de la derecha; por lo tanto el diseo de la derecha (suponiendo materiales, detalles y calidad de construccin equivalentes) es superior como diseo ssmico.

19

Tiene

ms

elementos

resistentes

regularmente

distribuidos

que

comparten la carga. Cuando en vez de pocos, hay muchos elementos, y un miembro comienza a fallar, habr muchos otros elementos que proporcionen la resistencia necesaria. Es decir, que la estructura posee ms de una posible alternativa de transmisin de carga. Figura 8. Distribucin de elementos resistentes

Fuente:

Ral

Gmez

Tremari.

Fundamentos

de

diseo

y

construccin


2.2.12.7 Densidad de la estructura en planta Una medida interesante respecto a la capacidad ssmica de un edificio es la densidad de la estructura en planta, definida como la relacin entre el rea total de todos los elementos verticales (columnas, muros, etc.) dividida entre el rea bruta del la planta.

20

Por ejemplo en edificios tpicos de 4 a 6 pisos, con marcos de concreto reforzado, las columnas deben ocupar el 1% o menos del rea de su planta. Mientras que para edificios de 3 a 4 pisos con mampostera reforzada, la densidad de muros en cada direccin es del orden del 4 al 5%; lo que significa que para darle una resistencia ssmica al edificio debe existir un rea mnima de muros.

2.2.12.8 Resistencia perimetral Aunque las dos configuraciones mostradas en la figura 6 son simtricas y tiene la misma cantidad de muros de cortante, la localizacin precisa de estos influye significativamente en el comportamiento. Los muros de la planta derecha tienen mayor brazo de momento para resistir los efectos de torsin y volteo. Es recomendable tener permetros fuertes, aunque no necesariamente constituidos por muros de cortante. Figura 9. Localizacin de muros de cortante para resistir efectos de volteo y torsin

Brazo de momento

Brazo de momento

Fuente:

Ral

Gmez

Tremari.

Fundamentos

de

diseo

y

construccin


21

2.2.12.9 Redundancia

Propiedad de distribuir la carga total en varios elementos o miembros soportantes, esto se define en realidad como el nmero de marcos en ambos sentidos geomtricos de la edificacin (X-X y Y-Y). No se debe confundir con la idea de redundancia el hecho de que los elementos no estructurales desempeen una funcin estructural al ocurrir un sismo. Los miembros redundantes son elementos estructurales que, en condiciones de servicio no desempean una funcin estructural o estn sobreforzados con respecto a su resistencia, pero que son capaces de resistir fuerzas laterales si es necesario. Proporcionan un medio til para obtener un factor adicional de seguridad donde pueda haber incertidumbres analticas de diseo.

2.3

Caractersticas deseables de la concepcin estructural

No existe una configuracin universal ideal para un tipo particular de estructura; sin embargo, hay ciertas caractersticas generales deseables que una estructura debe tener, para lograr un comportamiento ssmico satisfactorio: a) Ser liviana. b) Poseer una configuracin estructural que presente: b.1) Simetra, regularidad y sencillez en planta b.2) Simetra, regularidad y sencillez en elevacin b.3) Baja esbeltez

22

b.4) Uniformidad en la distribucin de resistencia rigidez y ductilidad. b.5) Hiperestaticidad y lneas escalonadas de defensa b.6) Capacidad torcional

Adicionalmente, en el diseo se buscar: I. Que los miembros horizontales (vigas) fallen primero y despus los miembros verticales (columnas). II. Tomar en consideracin las propiedades del suelo; es decir, lograr un perodo de vibracin de la estructura distinto al perodo natural del suelo.

2.4

La concepcin estructural en la respuesta ssmica de los edificios2

El movimiento que induce el paso de las ondas ssmicas en la corteza terrestre y como consecuencia en las edificaciones que en ella apoyan, genera fuerzas inerciales en las mismas, que guardan relacin con la cantidad de movimiento en la base, con las propiedades del terreno de desplante, con la masa de la estructura y caractersticas dinmicas de la misma. Las fuerzas inerciales estn en funcin directa de la masa de las distintas partes que componen el edificio; la ubicacin y magnitud de esas fuerzas, as como la capacidad de soportarlas, depender de la situacin de esas masas as como de las proporciones y forma estructural del conjunto o sea su aspecto volumtrico.

23

Figura 10. Configuracin de fuerzas inerciales provocadas por un sismo en una estructura

F = ma

Fuente: Ral Gmez Tremari. Fundamentos de diseo y construccin sismo-resistente p. 80

La concepcin estructural involucra bsicamente la disposicin y caractersticas de los elementos verticales sismorresistentes (muros o columnas), as como los sistemas de poso y diafragmas, que en conjunto conducen a la forma o configuracin externa del sistema, cuyos elementos y partes que lo integran, deben contar con ciertas caractersticas o atributos para lograr una respuesta satisfactoria bajo efectos ssmicos.

24

Figura 11. Sistema de piso o diafragma y su interaccin con las fuerzas inerciales

EL SISTEMA DE PISO O TECHO (DIAFRAGMA) CONDUCE LAS CARGAS INERCIALES A LOS ELEMENTOS VERTICALES SISMORESISTENTES

EL SISTEMA DE PISO O TECHO (DIAFRAGMA) CONDUCE LAS CARGAS INERCIALES A LOS ELEMENTOS VERTICALES SISMORESISTENTES

MURO DE CORTE

COLUMNA


El sistema de piso o techo (diafragma) conduce las cargas inerciales a los elementos sismorresistentes; las fuerzas inerciales son de carcter dinmico y pueden actuar en distintas direcciones. Se ha comprobado, que cuando la concepcin estructural de un edificio cuenta con ciertas caractersticas (simetra, continuidad, sencillez, etc.) su comportamiento bajo efectos ssmicos resulta satisfactorio. Como ya hemos acotado anteriormente los factores ms importantes que influyen en la respuesta ssmica del edificio sujeto son: 1. La forma o configuracin externa del conjunto estructural. 2. La planta del edificio en cuanto a su forma. 3. Los elementos verticales sismorresistentes (disposicin y caractersticas). 4. Los sistemas de piso o techo (diafragmas). 25

2.4.1 La forma La forma arquitectnica nace de la funcin que define el carcter del edificio, as como de factores naturales, entorno y situacin geogrfica. La necesidad de delimitar el espacio que genera la forma, conduce a la concepcin estructural, la cual para ciertas zonas debe estar condicionada por la necesidad de asegurar la capacidad de la estructura bajo efectos ssmicos. La forma o aspecto volumtrico de un edificio, puede llegar a ser definitiva para asegurar un buen comportamiento ssmico, por lo que es recomendable conocer las condiciones bajo las cuales se espera lograr una respuesta satisfactoria del edificio sujeto a las cargas laterales provocadas por un sesmo. Entre las cualidades de del aspecto volumtrico que nosotros debemos buscar, estn: sencillez y simetra as como regularidad en la planta y elevacin.

Figura 12. Cualidades de la forma

SIMPLE - COMPACTA - SIMETRICA

SIN CAMBIOS BRUSCOS

CON PROPORCIN VOLUMETRICA ADECUADA


26

La asimetra tiende a producir excentricidades generando efectos torsionantes, nocivos al comportamiento estructural. Figura 13. Asimetra en un edificio


La simetra por si misma no es suficiente, debe estar acompaada de continuidad de la forma. Un cambio brusco puede producir al fenmeno de amplificacin dinmica, generando concentraciones de esfuerzos en ngulos entrantes. Figura 14. Discontinuidad vertical en un edificio


27

Adems comportamiento

una

discontinuidad entre los

horizontal cuerpos,

puede

conducir

a

un y

distinto

generando

torsiones

concentraciones de esfuerzos, difciles e evaluar en el anlisis. Figura 15. Discontinuidad horizontal en un edificio


Si un edificio adems de asimtrico es discontinuo los efectos torsionantes se incrementan. Figura 16. Discontinuidad y asimetra en un edificio


28

2.4.2 Las proporciones Adems de la simetra y continuidad, los edificios deben guardar proporciones razonables de altura y largo con respecto al ancho que les confieran cierta robustez. En el diseo ssmico, las proporciones de un edificio pueden ser ms importantes que su tamao absoluto. Para edificios altos, su relacin de esbeltez (altura/ancho), calculada de la misma manera que para una columna individual, es una consideracin ms importante que slo su altura. Figura 17. Proporciones mximas recomendadas de un edificio en funcin de su anchoB X. 3 MA

MAX. 4B BFuente: Ral Gmez Tremari. Fundamentos de diseo y construccin sismo-resistente p. 84

Entre ms esbelto es el edificio, mayores sern las acciones de compresin sobre las columnas, perimetrales, causndose as mismo los efectos de volteo. La transmisin del momento de volteo a la planta baja y cimentacin ser ms efectiva si se respetan las proporciones adecuadas.

29

Figura 18. Esbeltez de un edificio e interaccin de las fuerzas inerciales con respecto a las fuerzas de tensin y compresin experimentadas por las columnas perimetrales


La esbeltez aunada a la flexibilidad de la estructura puede conducir a desplazamientos excesivos durante un sismo, que daen los elementos no estructurales (acabados, muros de relleno, instalaciones). Figura 19. Desplazamientos del edificio debidos a la esbeltez y flexibilidad del mismo


30

.

Cuando mas alargado se el edificio, ms problemtico ser el

comportamiento de los sistemas de piso (diafragma rgido), que pueden sufrir fuertes deformaciones a su propio plano. Para estos casos existe la tendencia a que se produzcan diversas formas de vibracin en la longitud del edificio. Se evitan estos fenmenos al acortar la longitud del edificio disponiendo de juntas construccin. Figura 20. En edificios de planta muy larga se debe dividir el edifico con juntas de construccin

JUNTA


2.4.3 La planta Es recomendable que la forma cuente con simetra en la planta. Se deben evitar edificios de forma irregular, en caso necesario, subdividir en formas regulares que puedan responder independientemente. La decisin de resolver como una unidad un edificio irregular o mediante juntas de construccin creando varios cuerpos defender del estudio de alternativas que contemple bsicamente la intensidad esperada de los sismos as como la importancia y altura del edificio.

31

Figura 21. Tipos de plantas para edificios

a. PLANTAS SIMTRICAS IDALES

b. PLANTAS ASIMTRICAS: NO RECOMENDABLES

A

L

A

L

A

A MAX. = L/6

c. PLANTAS ASIMTRICAS: ACEPTABLES

Fuente: Ral Gmez Tremari. Fundamentos de diseo y construccin sismo-resistente p.p. 85 y 86

Observamos mejor los efectos que se provocan en una planta irregular ante la accin de fuerzas ssmicas en la figura 16.

32

A

L

Figura 22. Respuesta de la planta ante la accin de fuerzas ssmicasA A

EN EL LADO LIBRE DE LA RAMA VERTICAL SE GENERAN MAYORES DEPLAZAMIENTOS

FUERZAS INERCIALESAL LIMITARSE LOS DESPLAZAMIENTOS SE PUEDEN GENRAR FUERTES CONCETRACIONES LOCALES DE ESFUERZOS ENLA ESQINA INTERIOR.

MOVIMIENTO DEL SUELOSENTIDO DE MAYOR RIGIDEZ


En zonas donde se esperan sismos de baja intensidad y edificios de poca altura se pueden resolver como una unidad. Figura 23. Consideraciones para plantas irregulares de edificios con poca altura en zonas de bajo riesgo ssmico (edificios resueltos como unidad)

TA ZONA DEBER CAPACITARSE PARA RESISTIR ESFUERZOS DE FLEXIN, AXIAL Y CORTANTE


33

En zonas de intensidad ssmica mediana y edificios de altura moderada se puede rigidizar la estructura con vigas o muros de corte. Figura 24. Consideraciones con para plantas irregulares de edificios

altura moderada en zonas de bajo riesgo ssmico medio

(edificios resueltos como unidad)VIGA MURO CONFINADO QUE TOMA TORSIONES


Para zonas donde se esperen sismos de intensidad elevada y edificios altos, es recomendable colocar una junta ssmica. Figura 25. Consideraciones para plantas irregulares de edificios

altos en zonas ssmicas (colocar junta ssmica)

JUNTA SSMICA


34

Para determinar la ubicacin de las juntas se debe tomar en cuenta las proporciones de la planta. Figura 26. Ubicacin de las juntas ssmicas en funcin de las proporciones de la panta

JUNTA SSMICA


2.4.5 Continuidad vertical de la forma En lo que respecta a la elevacin tambin se tiende ha conservar la continuidad en la forma; pero para evitar una limitante en el diseo arquitectnico, se puede aceptar cierta discontinuidad en la elevacin del edificio, siempre y cuando se respeten ciertas proporciones. Entre ms alto sea el edificio, se deben evitar irregularidades, eliminando discontinuidades.

35

Figura 27. Continuidad ptima y discontinuidades aceptables en la forma vertical de los edificiosBMAX = L/4 BMIN = 0.75 L BMAX = 0.85 L

L

L

L

CONTINUO RECOMENDABLE

DISCONTINUIDAD ACEPTABLE


Figura 28. Observaciones sobre la discontinuidad vertical en edificios escalonadosB2

B1

SE SUGIERE COLOCAR JUNTAS CUANDO: B1/L 1 < 0.75 B2/L 2 < 0.75L2

L1


36

En general la relacin masa-rigidez en pisos adyacentes, no deber diferir notablemente, las discontinuidades generan considerables amplificaciones dinmicas que resultan problemticas de predecir con modelos matemticos simples. Figura 29. Ejemplos de distribucin inadecuada de masa y rigidez

EJEMPLOS DE DISTRIBUCIN INADECUADA DE MASA Y RIGIDEZ

PLANTA FLEXIBLE PISO BLANDO


Entre mas compleja es la estructura, su comportamiento global es ms incierto y dificulta la hiptesis de clculo.

37

Figura 30. Edificio con configuracin compleja


2.6

Elementos que integran el sistema

Generalmente las estructuras de los edificios estn constituidas por una retcula ortogonal en tres direcciones: Una vertical definida por las columnas y dos horizontales definidas por los trabes (vigas). Cuando los marcos forman ngulos rectos, intentar hacer un anlisis tridimensional puede resultar laborioso e impractico, por lo que el problema se puede reducir a un sistema de marcos planos en dos direcciones que da por resultado una forma aproximada de anlisis simplificado aceptable.

38

Figura 31. Retcula tridimensional de un edificio

A B C D 1 2 3


Los sistemas fundamentales de trabajo estructural se basan en como se transmiten las fuerzas cortantes horizontales generadas por un sismo: 1. Por medio de muros de corte que pueden ser de concreto o de mampostera. 2. Marcos rgidos (losa-viga-columna). 3. Por combinacin de marco rgido y muros de corte o por marcos contraventeados. Figura 32. Elementos verticales sismorresistentes

COLUMNA

MURO

VIGA

ESTRUCTURA APORTICADA

COMBINACIN PORTICO - MURO


39

Los marcos generalmente forman ngulos rectos entre si, pueden ser resueltos con una estructura porticada (trabes y columnas) combinando esta con muros de cortante. La introduccin de los muros de corte tiene como intencin proporcionar resistencia y rigidez al sistema. Los sistemas de poso actan como diafragmas rgidos, que adems de ligar el sistema estructural distribuyen las fuerzas inerciales a los elementos sismorresistentes verticales (muros y columnas) en proporcin relativa a las rigideces de los mismos. Figura 33. Elementos verticales sismorresistentes en elevacinVIGA

COLUMNA

SISTEMA LOSA - VIGA (DIAFRAGMA RGIDO)

ELEVACIN


2.5.1 Traslacin y rotacin Los sistemas de piso o de cubiertas (trabe y losa) se consideran indeformables, si los elementos en que apoyan (columnas y/o muros) tiene un orden igual de deformacin. Los diafragmas de concreto reforzado se clasifican como rgidos, actuando como verdaderas vigas horizontales con fuerzas laterales en su propio plano y consecuentemente estar sometida a flexin u cortante, sin que supuestamente ocurran deformaciones en el mismo, pero si traslacin y rotaciones.

40

Figura 34.

Comportamiento idealizado de los diafragmas rgidos ante fuerzas inercialesAFUERZAS INERCIALES

SISTEMA DE PISO CUBIERTA

MURO

PLANTA

SISMO

ELEVACIN


La traslacin depender de la resistencia de los elementos estructurales verticales. Figura 35. Efectos de la traslacin, dependen nicamente de la densidad de los murosFUERZA INRECIAL FUERZA INRECIAL

A

EFECTOS DE TRASLACIN


A

41

La disposicin de los elementos verticales sismorresistentes ser definitiva en la capacidad torsin al del edificio. Figura 36. Dependiendo de una mayor o menor distribucin de los elementos verticales sismorresistentes, se aumentara o disminuir la traslacin en el edificio

A1

SE CUENTA CON CAPACIDAD TORSIONAL

A >A2

A21

DISMINUYE LA CAPACIDAD TORCIONAL AL REDUCIR LA DISTANCIA ENTRE MUROS


El problema torsional se acenta por la disposicin asimtrica en planta.3 La estructura tiende a rotar pivoteando sobre la zona ms rgida. Figura 37. Rotacin magnificada por efectos de la simetraA1C.M. C.R.

A2

A >A2

1


42

2.5.2 Centro de masa y centro de rigidez El centro de masa (C.M.) es el centro de gravedad de las cargas verticales de un nivel, si estn distribuidas uniformemente, el centro de masas, coincide con el centroide geomtrico de de la planta del piso, y ser el punto donde se considera aplicada la fuerza horizontal que incide en ese nivel. El centro de rigidez (C.R.) de un nivel, ser el centro de gravedad de las rigideces de los elementos que definen la conformacin estructural (muros y columnas). Es importante tratar de que el centro de masas coincida con el centro de rigidez para evitar efectos torsionantes en la estructura.

2.6

Recomendaciones sobre la disposicin de los sismorresistentes verticales

elementos

La capacidad torsional del edificio y su buen comportamiento ssmico depender del tipo, ordenamiento y distribucin de los elementos verticales sismorresistentes, cuyas condicionantes, al igual que en la forma sern: la simetra, continuidad y capacidad torsional. Es conveniente analizar las cualidades con que debe contar el sistema, considerando tanto el conjunto en planta, s como los elementos aislados en elevacin. Figura 38. Simetra recomendableSIMETRIA(RECOMENDABLE)

ESTRUCTURA CON MARCOS

COMBINACIN DE MARCOS Y MUROS


43

No basta que la estructura sea simtrica, es importante que cuente con capacidad torsional. La solucin con el muro cruciforme, no es recomendable, pues aunque hay simetra y densidad de muros, no cuenta con rigidez torsional. Figura 39. Posibles distribuciones de los elementos sismorresistentes verticales

NCLEO RGIDO SIMETRA

NO RECOMENDABLE EN EDIFICIOS ALTOS


Se debe buscar que los muros sismorresistentes sean simtricos en dos direcciones ortogonales en planta.4 Figura 40. Simetra en muros sismoresistentes


44

Cuando ms asimtrica la posicin de un ncleo rgido, mayor ser la problemtica torsional. Generalmente el ncleo rgido es consecuencia de la ubicacin de las circulaciones verticales. Figura 42. Ubicacin de centros rgidos en edificiosEL NCLEO RGIDO EN LA ESQUINA PROVOCA MAYOR EFECTO DE TORSIN

NCLEO RGIDO

MUROS DISPUESTOS EN LA ZONA DE LA LNEA INTERRUMPIDA MEJORAN EL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL.


Los muros de cortante dispuestos en el permetro confieren capacidad torcional sobre todo si son simtricos en dos direcciones ortogonales. Figura 42. Simetra y capacidad torcional en edificios


45

Si es mayor el nmero de elementos verticales, ms defensa tendr la estructura al propiciar una redistribucin de esfuerzos, evitando al mismo tiempo, grandes concentraciones de acciones ssmicas en pocos elementos. Figura 43. Factor cuantitativo


2.7

Los marcos y muros aislados

Es importante conocer las caractersticas con que deben contar los marcos y muros considerados como elementos aislados, para esperar de los mismos un comportamiento estructural satisfactorio, bajo efectos ssmicos. Al igual que en el conjunto de la planta los elementos sismorresistente verticales aislados, deben contar con simetra y continuidad.

46

2.7.1 Las proporciones Al limitar la altura del marco muro con relacin al ancho, tiene por objeto que sistema cuente con cierta rigidez que atena efectos de volteo y los desplazamientos laterales excesivos. Figura 44. Proporciones mximas recomendadas para marcos o muros

B B

MAX. 3B

EJEMPLOS DE DISTRIBUCIN INADECUADA DE MASA Y RIGIDEZ

PLANTA FLEXIBLE PISO BLANDO


2.7.2 Caractersticas que influyen en la respuesta ssmica Para edificios altos es deseable que la distancia entre columnas sea sensiblemente igual, as como la altura de los entrepisos, los claros desiguales ocasionan un incremento en los momentos del claro corto.

47

MAX. 5B

Figura 45. Simetra y antisimetria en la distribucin de marcos

CORRECTO

NO RECOMENDABLE


En cuanto a la continuidad de los elementos verticales, deben ser continuos en toda su altura y a partir de la cimentacin; el eliminar parte del mismo reduce la bondad del sistema. Figura 46. Continuidad y discontinuidad de los elementos verticales

MARCO

MURO

MARCO

MURO


Cuanto ms se eliminen los elementos del marco o porciones del muro, pero ser el comportamiento del sistema bajo efectos ssmicos.

48

La eliminacin de un entrepiso, conduce a un cambio brusco indeseable en cuanto a rigidez y resistencia del sistema. Figura 47. Eliminaciones de elementos en marcos

MARCO

MURO

MARCO


Se debe evitar una discontinuidad horizontal en los prticos que puede generar fuertes concentraciones en el elemento vertical de liga. Figura 48. Conservacin de la continuidad horizontal en marcosJUNTA

INCORRECTO

RECOMENDABLE

ALTERNATIVA


49

Es importante la regularidad en la regularidad en la distribucin de masas a lo alto del edificio. Un fuerte voladizo asimtrico, crea una distribucin inadecuada de masas. Cuando en la configuracin externa se presenta una disminucin brusca en la altura del edificio, se provocan marcos desiguales, obligando a desligarlos mediante juntas. Figura 49. Voladizo asimtrico y solucin de discontinuidad vertical

JUNTA

CORRECTO

CORRECTO


2.7.2.1 El piso blando La eliminacin de un entrepiso a la altura de la planta baja, interrumpir un muro de cortante al llegar a ese nivel o cuando existe profusin de muros de relleno de mampostera en los niveles superiores exceptuando en la planta baja, se llega a la solucin de piso blando o planta baja flexible; actuando el edificio en este caso como un pndulo invertido.

50

Figura 50. Piso blandoPA

MURO DE CORTE DEFORMACIN EN COLUMNAS DE PLANTA BAJA EFECTO (P-A)

WDOBLE ALTURA PLANTA BAJA ABIERTA

P = CARGA EN COLUMNAS A = DESPLAZAMIENTO


En columnas de la planta baja se exige que una gran demanda de ductilidad, difcil de lograr, bajo esas condiciones, se origina flexin adicional en la columnas de la planta baja por el desplazamiento lateral de las mismas conocido como efecto: P-, y que provoca fuertes acciones de cortante y flexin en los elementos verticales.5 El piso blando, aunque no es deseable, sobre todo para edificios de cierta altura, es muy comn por razones arquitectnicas, de aqu que sea importante buscar alternativas mediante la introduccin de muros de cortante perimetrales y ncleos rgidos que limiten los desplazamientos o a base de marcos modulados de mayor dimensin que le den una relativa continuidad a la altura. Rigidizar el piso blando con un contraventeo o muros de cortante perimetrales, colocados nicamente en la planta baja puede crear en los niveles superiores inmediatos, es preferible que en el muro de cortante perimetral se disponga en toda la altura del edificio.

51

Figura 51. Muro cortante perimetral para paliar piso blando

MURO DE CORTE PERIMETRAL


2.7.2.2 Efecto de columna corta El reducir la altura de algunas columnas con relacin al resto de elementos verticales de un entrepiso, provoca un incremento en su rigidez y consecuentemente una concentracin de esfuerzos en las zonas rgidas. Figura 52. Relacin rigidez-desplazamiento-corte en marcos con

columnas simtricasA1 A2

P

P V1 V1

P = V1 + V2 V2 V2SI LOS POSTES SON DE IGUAL SECCIN Y ALTURA, LOS CORTANTES Y MOMENTOS GENERADOS EN ELLOS TIENEN IGUAL VALOR.

A1 = A2

V1 = V2


52

Figura 53. Relacin

rigidez-desplazamiento-corte

en

marcos

con

columnas asimtricasEL DIAFRAGMA RGIDO OBLIGA A QUE LOS ELEMENTOS VERTICALES SUFRAN UNA MAYOR DEFORMACIN LATERAL (A1 = A2)

P

A1

A2SI SE REDUCE LA ALTURA DE UN POSTE, AUMENTA SU RGIDEZ Y DISMINUYE SU CAPACIDAD DE DEFORMACIN, POR LO TANTO PARA QUE LOS DESPLAZAMIENTOS SEAN IGUALES, EL CORTANTE APLICADO EN EL POSTE CORTO TENDR QUE SER SUPERIOR AL DEL POSTE DE MAYOR ALTURA. EL CORTE VARA CON EL CUBO DE LA ALTURA:3 V = 12 EIA/L

V1

V2

A1 = A2 V1 > V2


Son muchos los casos y muy frecuentes en que se puede presentar el efecto de columna corta, que bajo cargas gravitacionales puede no afectar el comportamiento estructural, pero bajo efectos ssmicos, puede resultar nocivo en la respuesta del edificio. a. El colocar un sistema de piso en desnivel con otro adyacente. Figura 54. Sistema de piso en desnivel

ZONA CRTICA DE CONCENTRACIN DE ACCIN SSMICA


53

b. Cuando un muro de mampostera o de concreto, no cubre la altura total de la columna, se reduce la altura de esta6, incrementando su rigidez y generando una concentracin de fuerzas ssmicas en esa zona. Esto se soluciona desligando el pretil de concreto al marco; puede adems conducir a la deseada solucin de viga fuerte - columna dbil. Figura 55. Juntas en muros de mampostera, para evitar confinar columnasVIGA COLUMNA

JUNTA

ZONA CRTICA

MURO O PRETIL


c. Un edificio en desnivel puede conducir al efecto de columna corta Figura 56. Edificio en desnivel


54

2.8 Predimensionamiento de elementos estructurales

Dentro del proceso de diseo estructural la estimacin de las secciones preliminares, es decir el predimensionamiento, busca satisfacer los criterios relativos a los estados lmites de falla y de servicio, establecidos en los reglamentos. El predimensionamiento de por si es un proceso subjetivo, en el cual el diseador podr emplear cualquier criterio6 para predimensionar los elementos; ya que en la parte final del diseo verificara si las secciones propuestas satisfacen las condiciones de establecidas por el o los reglamentos que emple.

2.8.1 Predimesionamiento de vigas 2.8.1.1 Criterios de diseadores guatemaltecos: Para calcular el peralte (d) de la viga los estructuralistas guatemaltecos7 recomiendan una relacin; de 6 a 8 cm. de peralte por metro lineal de claro, y un ancho (b), de a de d:

d=

(6 8)cm , mlclaro

(Ec. 2.1)

b= 1 1 d, 3 2

(

)

(Ec. 2.2)

55

2.8.1.2 Recomendaciones del IMCYC/ACI: El Instituto Mexicano del Cemento y el publicado de Concreto (IMCYC) ha

un libro titulado Criterios para el Proyecto de Estructuras de a las condiciones de su pas que y los sistemas acomodar de al

Concreto, donde, considerando los criterios del Cdigo ACI y otros, hace acuerdo construccin, siguientes: I. Si se tienen tableros mayores de 3.00 x 3.50 m2, es conveniente peraltar las vigas entre l /10 y l /15 en la mayora de los casos, se considera un peralte estndar de 30 cm. y base de 15 cm. II. Si se trata de estructuras aporticadas, cuyas columnas son ms flexibles que el sistema de piso ( rigidez menor), el peralte de vigas oscila entre l /10 y l /15 e incluso de mayor peralte. III. En voladizo, el peralte de vigas para mismo tipo de las anteriores. algunas recomendaciones se pueden

nuestro para efectos de predimensionar. Algunos de esos criterios son los

d=

ln , 5

(Ec. 2.3)

donde: ln = longitud libre del voladizo. Si las estructuras son aporticadas, pero con columnas ms rgidas que el sistema de piso ( rigidez mayor), se pueden determinar los peraltes mnimos mediante la tabla del ACI31883 que considera diferentes fc del concreto y acero grado 40.

56

Tabla II.

Tabla del ACI318-83 que considera d de vigas en funcin del fc y acero grado 40t min r = 10 30 40 45 55 70 t min r = 10 30 35 40 50 60 t min r = 10 30 35 40 45 55

Concreto

Dimetro N. 3 N. 4 N. 5 N. 6 N. 8 Dimetro N. 3 N. 4 N. 5 N. 6 N. 8 Dimetro N. 3 N. 4 N. 5 N. 6 N. 8

fc = 200 kg/ cm2

r=5 25 35 40 50 65 r=5 25 30 35 45 55 r=5 25 30 35 40 50

r =15 35 45 51 61 75 r = 15 35 40 45 55 65 r = 15 35 40 45 50 60

hmin 20 25 30 35 50 hmin 20 25 30 35 50 hmin 20 25 30 35 50

Concreto

fc = 250 kg/ cm2

Concreto

fc = 300 kg/ cm2

Fuente: Flores Cruz, Carlos E. Procedimiento general de diseo estructural para edificios de concreto reforzado. p.p. 9-10

2.8.1.3 La tabla 9.5 (a) del cdigo ACI318-99: En la tabla 9.5 (a); del cdigo ACI318-99 encontramos otro referente para el predimensionamiento de las vigas no pretensazas, en funcin del claro que cubren. Es de hacer notar que esta tabla es aplicable a elementos de hormign armado de un fc y grado de acero de refuerzo ya establecidos.

57

En caso de quererse aplicar a miembros de distinto fc o grado de refuerzo, se deben aplicar las correcciones especificadas en la misma. Tabla III. Tabla 9.5(a) del cdigo ACI318-99

Fuente: Cdigo ACI318-99. p. 144

58

2.8.1.4 Requisitos geomtricos de las N.T.C. para concreto del D.F. Tambin podemos tomar como referente los requisitos adoptados por las normas tcnicas complementarias del Reglamento de construccin para el Distrito Federal (Mxico). El R.C.D.F. recomienda los siguientes requisitos geomtricos que deben cumplir las secciones para elementos sujetos a flexin. Figura 57. Requisitos geomtricos de elementos sometidos a flexin segn R.C.D.F.

VIGA

COLUMNA

El claro libre no debe ser menor a cuatro veces el peralte efectivo

L > 4d

d

VIGA

COLUMNA

En

sistemas

de

viga

y

losa

monoltica, la relacin entre la separacin de apoyos que eviten el pandeo lateral y el ancho de la viga no debe exceder de 30.L b

L/b < 30

La relacin entre el peralte y eld

ancho no ser mayor de 30.

b

d/b < 3COLUMNA

El ancho de la viga no ser menor de 25 cm. ni exceder el ancho de las columnas a las que llega.b

h

VIGA

b > 0.25 h>b

Fuente: 2 Curso RELASIS de Ingeniera Ssmica UVG. (Guatemala: s.e., 1990) p. 22

59

2.8.2 Predimensionamiento de columnas 2.8.2.1 Criterios de diseadores guatemaltecos: El Ing. J.M. Rubio propone calcular el rea gruesa de columnas a travs de la relacin8:

Pact = 0.20 Pu ,

(Ec. 2.3)

donde; Pact = (Pentrepiso + Pvigas + Pcol . sup . ) ;

(Ec. 2.4)

as el Ag esta dada por:

Ag =

Pact , 0.17 f ' c

(Ec. 2.5)

En la maestra de Ingeniera estructural de la UVG han determinado un modelo estadstico para calcular el Ag de columnas, en base a las medidas de las columnas de los edificios del valle de la ciudad de Guatemala; el cual esta dando por la relacin9: donde:Ag = ATC N entrepisos (620 600)

,

Ag(Ec. 2.6)

= seccin de la columna = ea triburatia de la columna = nmero de plantas del edificio

ATC Nentrepisos

Figura 58. rea tributaria de columnasP 2

L C

AREA2

L C

L CCOLUMNA 2

L CAREA1

L CP 1

L C

L C

L C

COLUMNA1

Fuente: Angel Sic Garca. Gua terica y prctica del curso de concreto Armado 2. p.203

60

2.8.2.2 Recomendaciones del IMCYC/ACI: El Instituto Mexicano del Cemento y el Concreto, sugiere dos formas de predimensionar columnas: a. Se recomienda, para columnas cuadradas, basndose en las

longitudes de las mismas y considerando tableros mayores de 3.00 x 3.50 m.; estimar las secciones de la siguiente manera: b = h, tiene que estar comprendido entre: b = l / 10, b = l / 15,(Ec. 2.7) (Ec. 2.8)

Se debe tomar en cuenta que en este caso las columnas tienen que poseer una rigidez mayor a la de las vigas. b. La publicacin Criterios para el proyecto de concreto, del IMCYC, contiene graficas elaboradas basndose en las ecuaciones de Wilburg, se han desarrollado un conjunto de graficas en las cuales se estimo la suma mnima de los momentos de inercia en columnas de planta baja para limitar desplazamientos por sismo o viento al 0.008 H, donde H es la distancia a pisos consecutivos. Dichas entrepiso10. Consideraciones para el uso de las tablas: I. La estructura debe analizarse, por lo menos, en dos direcciones perpendiculares entre si, satisfaciendo requisitos de rigidez y resistencia ante fuerzas laterales. II. Se elige la tabla que corresponda al rea construida. ejes entre las vigas de dos predicen la rigidez de graficas

61

III. Se busca I / L, en la direccin analizada. IV. Se elige la que corresponde al concreto a usar. V. Se obtiene Ic a partir de este se calculan las dimensiones con la siguiente expresin :I = L Marco

Ly

m

Iyy

,

(Ec. 2.9)

donde: m = numero de claros del marco I t i = momento de inercia del claro i Lt i = longitud del claro i En cada direccin se tendr: (I/L)x = tKx = Suma de los factores (I /L) paralelos al eje x-x. (I/K)y = tKy = suma de los factores (I/L) paralelos al eje y-y. Para lo anterior cabe decir que son tiles las graficas y clculos para columnas menos rgidas y ms rgidas que el sistema de piso, aunque en el segundo caso los resultados son menos exactos.

2.8.2.3. Requisitos geomtricos de las N.T.C. para concreto del D.F Tambin el R.C.D.F. establece relaciones geomtricas que deben cumplir los elementos estructurales sometidos a flexocompresin:

62

Figura 59. Requisitos

geomtricos

de

elementos

sometidos

a

flexocompresin segn R.C.D.F.

hCOLUMNA

VIGA

ElEXCENTRICIDAD (e)

eje

de

la

viga

no

debe

separase

horizontalmente del eje de la columna ms de un dcimo de la dimensin transversal de la columna normal a la viga

EJE VIGA

EJE COLUMNA

e < h/10hX

VIGA

La dimensin transversal mnima de las columnas no ser menor de 30 cm.

hY

COLUMNA VIGA

hX > 0.30 hY > 0.30hX

VIGA

El Ag de las columnas, para toda combinacinhY

de carga; no ser menor a:COLUMNA

VIGA

Ag =

Pu , 0.5 f ' c

0.50h X hY > PU/f` C

hX hY

La relacin entre la altura libre y la menor dimensin transversal de la columna no exceder de 15.

a

a/hX < 0.15 a/hY < 0.15

Fuente: 2 Curso RELASIS de Ingeniera Ssmica UVG. (Guatemala: s.e., 1990) p. 22

63

64

3.

CARGAS DE DISEO

Las cargas son fuerzas externas que actan sobre la estructura. Las cuales provocan reacciones internas dentro del sistema estructural para resistirlas. Dependiendo de la manera como las cargas sean aplicadas, tienden a deformar la estructura y sus componentes. aplicacin11: cargas verticales y cargas laterales. En el presente trabajo se clasifican a las cargas en una estructura de acuerdo con la direccin de su

3.1

Cargas verticales Tambin llamadas cargas por gravedad, comprenden la carga viva

y carga muerta. Carga viva: Es la que soporta el edificio de manera transitoria, se pueden aplicar por varias horas o aos, su magnitud es variable y depende del uso que va a darse a la edificacin. Entre las cargas vivas se incluyen; el peso de los ocupantes, la nieve, los vehculos, muebles, productos de almacenes, vehculos, etc. Carga muerta: Incluye el peso de todos los componentes permanentes de una estructura, como vigas, columnas, losas de pisos, techos y cubiertas de puentes. Tambin incluyen componentes arquitectnicos, como cielos rasos, herrajes de ventanas y muros divisorios de habitaciones. Generalmente, a los muebles o equipo fijos se les clasifica por separado, aunque sus efectos son los mismos que los de las cargas vivas. 65

3.2

Cargas laterales

Las constituyen aquellas fuerzas que actan ortogonalmente o casi, respecto a la lnea de accin de la gravedad. Se dividen en cargas de: sismo, viento y de presin12.

3.3

Clculo de cargas verticales de la estructura

3.3.1 Integracin de cargas verticales por el mtodo de anchos tributarios El rea tributaria es el rea de influencia de carga de un elemento estructural y debera incluir toda la porcin de la construccin en la cual, si se aplica una carga, se afecta la fuerza interna en la seccin que se est considerando. Por lo que, se entiende por rea tributaria de un elemento de una estructura sujeta a carga uniformemente distribuida. Aquella rea que, multiplicada por la carga uniforme, define la carga total que se debe considerar actuando sobre el elemento y que produce efectos iguales a los de la distribucin real de cargas sobre la estructura. El rea tributaria debe calcularse, tambin para fines de obtener la carga total sobre un elemento estructural. Existen algunas reglas sencillas para determinar el rea tributaria13 y estn basadas en la localizacin de las lneas en que la fuerza cortante sera nula si slo hubiera transmisin de momentos en una direccin.

66

3.3.1.1 Integracin de cargas verticales: losas horizontales en un sentido Esta clasificacin se refiere a la forma en que la losa puede sufrir flexin. Losas en un sentido (requisitos ACI): I. La relacin de la base (a), con la altura (b) de la seccin debe ser menor que 0.50 (a/b < 0.50) II. Pueden tener 2 o 4 apoyos (vigas). III. El espesor se determina con la tabla 9.5(a) ( ver seccin 2.8.1) Figura 60. rea tributaria y ancho tributario para losa en un sentido

a at

at

b

a/b < 0.50

Fuente: Apuntes personales del curso de diseo estructural. 1 semestre 2002

De donde calculamos la carga muerta y la carga viva actuante con las siguientes ecuaciones:

at =CM =

a , 2

(Ec. 3.1)

at ( Puc t + Sob) + PPviga , 2

(Ec. 3.2)

67

CV =

a Sob , 2

(Ec. 3.3)

donde: a b at Puc t Sob = lado corto de la losa (medido a rostro interior de viga) = Lado largo de la losa (medido a rostro interior de viga) = ancho tributario = peso unitario del concreto (4200 kg/m3) = espesor losa (m) = cargas vivas en la edificacin (segn cdigo que se utilice)13

PPviga = peso propio de la viga (Puc seccin viga)

3.3.1.2

Integracin de cargas verticales: losas horizontales en dos sentidos

Losas en dos sentidos (requisitos ACI): I. La relacin a/b tiene que ser mayor que 0.50; cuando a b. II. Tienen que poseer 4 apoyos (vigas). Figura 61. rea tributaria y ancho tributario para losa en dos sentidos

al

a

ac

Fuente: Apuntes personales del curso de diseo estructural. 1 semestre 2002

45b

a/b > 0.50

68

Calculamos de igual forma, la carga viva y la carga muerta (ecuaciones 2.7 y 2.8), lo que difiere en este caso es el clculo de los anchos tributarios, de donde tenemos:

m= ac =al =

a , b a , 3

(Ec. 3.4)

(Ec. 3.5)

a 3 m2 3 2

,

(Ec. 3.6)

donde: a b m ac al = lado corto de la losa (medido a rostro interior de viga) = Lado largo de la losa (medido a rostro interior de viga) = relacin a/b = ancho tributario lado corto = ancho tributario lado largo

3.4

Clculo de cargas laterales en la estructura (sismo) 14

Los requisitos de cargas laterales propuestas por los cdigos, son normas mnimas para poder disear edificios y estructuras resistentes a fuerzas horizontales. Consideran la estructura como unidad, tomando en cuenta cada uno de sus elementos estructurales. En Guatemala son consideradas en el anlisis las cargas laterales de sismo y viento. Esta ltima dependiendo de la magnitud de la incidencia del mismo en una estructura sobre un rea grande de

Tesis Analisis Estructura en Guatemala

Documents

Transcript of Tesis Analisis Estructura en Guatemala