tesis estructura

Contenido

Contenido Prefacio1 Aspectos GeneralesIntroduccin 8 Parmetros de Cargas 9 Materiales de Construccin 9 Pesos unitarios de cargas Muertas 9 Pesos unitarios de cargas vivas 11 Pesos unitarios de cargas accidentales 12 Propiedades mecnicas de Materiales 13 Concepcin Estructural 14 Criterios de estructuracin 18

8

2 Criterios de Anlisis2.1 2.2 2.3 2.4 Introduccin 21 Mtodo Esttico Equivalente para Sismo Mtodo Esttico Equivalente para Viento Desplazamientos Permisibles 39 23 29

21

3 Criterios de Diseo3.1 Diseo de Elementos Secundarios 41 3.1.1 Largueros de techo 42 3.1.2 Losas de entrepiso 44 3.1.3 Viguetas de entrepiso 45 3.1.4 Escaleras 47 3.1.5 Ascensor 49 3.1.6 Cerramiento Liviano 51 3.2 Diseo de Elementos Principales 3.2.1 Vigas-columnas 53 3.3 Fundaciones 59Elaborado por : Rolando Alberto Araica Barreto. Juan Bautista Alemn Hernndez

41

53

1

Contenido

3.3.1 Placas de Base 3.3.2 Pedestales 64 3.3.3 Zapatas 65 3.4 Uniones 82

61

4 Anlisis y Diseo de la Estructura

85

4.1 Diseo de Elementos Estructurales Secundarios 87 4.1.1 Largueros de Techo 87 4.1.2 Lmina troquelada 91 4.1.3 Vigueta de carga 94 4.1.4 Escaleras 96 4.1.5 Ascensores 96 4.1.6 Cerramiento Liviano 109 4.2 Cargas muertas y vivas Por ejes 112 4.2.1 Cargas de techo 112 4.2.2 Cargas de entrepiso 113 4.2.3 Cargas de panel Covintec 114 4.2.4 Cargas de divisiones internas de Gypsum 114 4.2.5 Paredes del ascensor 114 4.3 Cargas Ssmicas. Mtodo esttico Equivalente 115 4.3.1 Pesos En la Estructura Por Niveles 115 4.3.2 Cortante Ssmico Basal 118 4.3.3 Influencia del suelo y del periodo aproximado del edificio 4.3.4 Rigideces relativas. Formulas de Wilbur 119 4.3.5 Centros de masa por niveles 126 4.3.6 Distribucin del cortante basal a cada nivel 128 4.3.7 Distribucin del cortante de cada nivel a cada eje 129 4.4 Cargas de Viento. Mtodo esttico Equivalente 134 4.4.1 Cargas del R.N.C. 83 134 4.4.2 Cargas del R.N.C. 05, propuesto por Ordaz 134 4.5 Diseo de Elementos Estructurales Principales en Sap2000 136 4.5.1 Radios de Interaccin crticos 136 4.6 Verificacin de resultados obtenidos 145 4.6.1 Vigas 145 4.6.2 Columnas 147 4.7 Diseo de Fundaciones 151 4.7.1 Placas de base 151 4.7.2 Pedestales 158 4.7.3 Zapatas 160 4.8 Uniones 169 4.9 Desplazamientos obtenidos en sap2000 172

Elaborado por : Rolando Alberto Araica Barreto. Juan Bautista Alemn Hernndez

2

Contenido

ApndicesA Planos Arquitectnicos y EstructuralesA.1 Planos Arquitectnicos A.2 Planos Estructurales

B Estudio Geolgico y de SuelosB.1 Estudio Geolgico B.2 Estudio de Suelos

C Especificaciones del AscensorC.1 Planos tcnicos del Ascensor. C.2 Dimensiones estndar y reacciones.

Bibliografa


3

Prefacio

Prefacio

...........Nadie ha visto jams la creciente mas grande ni el sismo ms intenso.....

Annimo

Reconociendo la verdad de esta frase, es que presentamos ha ustedes; estimados lectores , esta obra. Cuyo objetivo principal es reflejar, a travs de un enfoque sencillo y bien organizado el proceso de diseo sismorresistente de un edificio de acero de tres pisos. Segn ensea la experiencia, la tarea de salvar vidas y bienes de los fenmenos ssmicos es difcil, compleja y en algunos casos dramticamente deficiente. An con los grandes avances tecnolgicos de los ltimos aos el diseo sismorresistente de estructuras esta un tanto alejado de ser un arte totalmente dominado. Siendo Nicaragua un pas con alto grado de sismicidad, aprender a analizar y disear estructuras con tcnicas que han demostrado ser exitosas debera ser un requisito indispensable para quienes deseen involucrarse en el estudio, enseanza y ejercicio profesional de esta rea tan especializada.

Valga pues, nuestro pequeo grano de arena, en esta noble labor.


4

Prefacio

OBJETIVO GENERAL

Aplicar los conocimientos tericos adquiridos en el Curso de Titulacin de Obras Verticales, en el Anlisis y Diseo Estructural del Hotel Marques Soleste, para obtener un diseo satisfactorio, econmico y seguro.

OBJETIVOS ESPECIFICOS Aplicar cdigos modernos para el clculo de cargas actuantes, anlisis estructural y diseo de elementos. Utilizar apropiadamente las herramientas que ofrece el software de Anlisis y Diseo Sap2000. Dibujar esquemas de los resultados obtenidos, para el posterior dibujo de planos constructivos del edificio en AUTOCAD 2005.


5

Prefacio

ALCANCES Y LIMITACIONESCon la esperanza de mostrar un proceso lgico, sencillo y apropiado para analizar y disear una estructura de acero, es que se ha realizado este proyecto. Aqu, no estamos proponiendo nada novedoso en la ciencia estructural, sino mas bien estamos aplicando correctamente los conocimientos tericos adquiridos en clase.

Dada la magnitud del proyecto, fue imposible incluir en este documento todas las revisiones efectuadas a los elementos estructurales, adems de todas las

formulas utilizadas y sus referencias. Solo se incluyeron ejemplos de casos tpicos. Que quizs no son los mas crticos.

En cuanto al anlisis sismorresistente empleado, debemos advertir que el mtodo esttico es satisfactorio, pero quizs valga la pena aplicar tcnicas de anlisis mas avanzadas, por ejemplo anlisis esttico no lineal, anlisis dinmico no lineal, de historia de tiempo y anlisis de segundo orden para tomar en cuenta el efecto PDelta.

RECONOCIMIENTOSMuchas personas han colaborado en la preparacin de este manuscrito. Hemos recibido ayuda muy grande , comentarios constructivos, estimulo e inspiracin de todos ellos. En particular queremos agradecer a los ingenieros, Sergio Obregn Aguilar y Jorge Boza Castro, por el apoyo incondicional que nos brindaron, sin ellos no hubiese sido posible este proyecto. Infinitas gracias a todos.


6

Diseo Estructural de Un Edificio de Acero de tres plantas

Hotel Marques Soleste


7

Capitulo 1: Aspectos Generales

CAPITULO 1

Aspectos GeneralesCuando una persona camine en los pasillos del elegante y distinguido Hotel Marques Soleste, jams pensar en el delicado proceso de ingeniera que debe realizarse para obtener una obra de semejante magnitud. En este primer captulo explicaremos cuales parmetros, pesos Volumtricos y Superficiales, sern considerados en el clculo de cargas, anlisis estructural y diseo de elementos. Tambin, cuales criterios se tomaron en cuenta para estructural propuesto. modelar el sistema

1.1 IntroduccinEl Hotel Marques Soleste S.A. pertenece al grupo de inversionistas Soleste Enterprises, quienes seducidos por el crecimiento comercial y turstico que ha experimentado la Baha de San Juan del Sur en los ltimos aos, decidieron desarrollar un complejo turstico que incluye, entre otras obras, el proyecto en cuestin. El hotel es de tres pisos, cuenta con 56 habitaciones, una amplia cocina, Suite Presidencial, un restaurante, 2 modernos ascensores y sala de conferencias que significan aproximadamente, mil metros cuadrados de construccin por planta. La localizacin exacta del mismo puede observarse en el plano de ubicacin en los anexos.


8


1.2 Parmetros de Cargas1.2.1 Materiales de ConstruccinEstos fueron establecidos en su totalidad por los dueos del proyecto, los cuales indicaron lo siguiente: Estructura Principal: Acero estructural. Paredes exteriores de todos los niveles: De material Liviano, tipo Covintec. Cubierta de Techo: De Shingles , con lmina de Plycem y recubrimiento Asfltico. Cielo raso: De Gypsum. Divisiones Internas de todos los niveles: De material Liviano, tipo Gypsum. Entrepiso: Lmina Troquelada con topping de concreto. Escaleras: Metlicas Caja de elevadores: Bloques de 15x20x40cm.

1.2.2 Pesos Unitarios de Cargas Permanentes o MuertasEstos fueron obtenidos de diversos cdigos y estndares internacionales que hacen referencia al material en cuestin. El peso de cada Componente ( cubierta, cielo, paredes, etc) fue calculado en base a estos. Cabe mencionar que el valor numrico del peso de algunos materiales fue redondeado al entero ms prximo, pues no tiene sentido prctico una mayor precisin. Concreto(ASCE 7-02 tabla C3-2): Mortero (ASCE 7-02 tabla C3-2): Acero(AISC tabla 17-12): Suelo Compactado(ASCE 7-02 tabla C3-2):

2400 kg/m 2200 kg/m 7850 kg/m 1600 kg/m


9


Cubierta de Techo: Shingle Asfltico (AISC, tabla 17-13): Recubrimiento Asfltico (AISC, tabla 17-13): Espesor: 1.2 mm Peso por metro cuadrado: 1298*1.2/1000= Lmina de Plycem (AMANCO. Manual Tcnico):1050 kg/m Espesor: 11 mm, para cubiertas exteriores Peso por metro cuadrado: 1050*11/1000= Carga total de cubierta: Cielo Raso: Gypsum(ASCE 7-02 tabla C3-2): Espesor: 10 mm Peso por metro cuadrado: 1050*10/1000= 10.5 kg/m 1050 kg/m 15+1.2+11.6 = 11.6 kg/m 28 kg/m 1.2 kg/m 1298 kg/m 15 kg/m

Suponemos un esqueletado de madera, el ms pesado que se pueda colocar: Cuartones de Pino de 2x2 pulg. en cuadros de 60x60 cm. Pino (RNC. tabla 4): rea de Cuartones: 0.05x0.05= 685 kg/m3 25.8x10-2 m2 2.95 kg/m2 6 kg/m2 16.5 kg/m2

Peso de cuartones por metro: 25.8x10-2 x 685= 1.76 kg/m Cuartones @ 60cm : 1.76/0.6= En ambas direcciones: 2*2.95= Carga total de cielo: 10.5+6= Paredes exteriores: Peso propio de Panel Covintec(HOPSA, Manual tcnico): Recubrimiento de Mortero, en ambas caras del panel: Espesor de Recubrimiento: 1 pulg. Peso de Recubrimiento: 2*2200*1*0.0254 = Repello y fino en ambas Caras(RNC. Tabla 3): Carga total de Paredes: 4.5+111.8+40= 111.8 kg/m2 40 kg/m2 157 kg/m2 4.5 kg/m2


10


Paredes internas: Gypsum(ASCE 7-02 tabla C3-2): Espesor: 10 mm Peso por metro cuadrado en dos caras:2*1050*10/1000= 21 kg/m 1050 kg/m

Suponemos un esqueletado de perfiles livianos, el ms pesado que se pueda colocar: Secciones C de acero doblado en fro (perlines) de 2x4x1/16 pulg. en cuadros de 60x60 cm. Acero: rea de perlin: 7850 kg/m3 353x10-6 m2 4.61kg/m2 9.3 kg/m2 31 kg/m2 271 kg/m2

Peso de perlines por metro: 353x10-6 x 7850= 2.77 kg/m perlines @ 60cm : 2.77/0.6= En ambas direcciones: 2*4.61= Carga total de divisiones internas: 21+9.3= Bloques de 15x20x40cm con repello y fino en ambas caras:

1.2.3 Pesos Unitarios de Cargas VivasEstas fueron obtenidas del Reglamento Nacional de Construccin Vigente. Estas, son las cargas mnimas que deben usarse segn el uso que tendrn los espacios arquitectnicos de la estructura. De techo(RNC, arto.18): 10 kg/m2

Adems deber considerarse una carga puntual de 100 kg en la posicin mas desfavorable, para miembros secundarios y 200 kg para miembros principales. De entrepiso(RNC, arto.17) : Para la combinacin con sismo deber usarse: De escalera:Elaborado por : Rolando Alberto Araica Barreto. Juan Bautista Alemn Hernndez

200 kg/m2 80 kg/m2 500 kg/m211


1.2.4 Pesos Unitarios de Cargas AccidentalesSe llama cargas accidentales a aquellas que son imprevistas, de corta duracin y de magnitud considerable. En nuestro caso tendremos principalmente la accin ssmica y elica. Accin Ssmica: En este punto nos limitaremos a determinar el valor de c. Ya que para cuantificar la respuesta inercial de la estructura ante aceleraciones del terreno, se deben aplicar diversos procesos de anlisis, de los cuales se hablara detalladamente en el capitulo 2. No obstante, En todos ellos interviene el llamado coeficiente ssmico, el cual depende de diversos factores tales como: la ubicacin, la importancia, el uso y

estructuracin del sistema.

Por su destino:

Grupo 2 (Hotel)

El reglamento explcitamente clasifica a los Hoteles en el Grupo 2. No se consideran estructuras esenciales, no obstante, ya sea por la magnitud de la obra o por requerimiento del dueo y a costo de una inversin inicial mayor podramos incluirlo en el Grupo 1. Por sus caractersticas estructurales: Tipo1 (Marco Dctil)

El sistema Sismorresistente lo componen marcos de Acero en ambas direcciones, la continuidad y ductilidad de cada unin ser

garantizada a travs de un diseo apropiado. El cerramiento estar debidamente fijado al marco y aislado del mismo, de modo que se eviten interferencias entre ellos. Por su calidad: Grado B (Sistema Confiable)

Nuestro hotel no es totalmente simtrico. Esto implica que no lo podemos considerar grado A. Adems, por lo incierto de la calidad de la mano de obra es ms saludable clasificarlo de este modo.


12


Por su ubicacin:

Zona 4

(San Juan del Sur)

Estrictamente hablando la zona de San Juan del Sur, pertenece a la Zona 3, considerada de menor peligro ssmico. No obstante, investigaciones recientes han demostrado que en esta zona las aceleraciones mximas del terreno que pueden presentarse son hasta de 0.32g. Casi similares a las de la Managua. Por esta razn, (que quizs aun no es suficiente),hemos considerado que est en la zona 4.

Con estos parmetros el coeficiente de ruptura que se obtiene de la tabla 12 es de 0.140 y un coeficiente elstico de 0.1. Accin Elica: Es de aceptacin general, entre la comunidad de ingenieros de Nicaragua, que los valores para la presin del viento establecidos en el actual Reglamento Nacional, distan mucho de la realidad observada. As es que, conservadoramente adoptamos una presin mxima de viento de 55 kg/m. La cual fue comparada con la propuesta por Ordaz en el R.N.C 05. y de ambas se escogi la mas crtica.

1.3 Propiedades MecnicasEstas han sido establecidas para condiciones normales, bajo las cuales se supone tienen un desempeo apropiado. Adems, por ser comunes, su costo no es tan elevado. De este modo: Para el concreto: Esfuerzo de Compresin: Modulo de elasticidad: 1000*210= Para el Acero de Refuerzo: Punto de Fluencia: Grado 40= 2818 kg/cm 210 kg/cm 210000 kg/cm


13


Para el Acero Estructural: Punto de Fluencia: Modulo de elasticidad : Para el Suelo de Cimentacin: El suelo de cimentacin fue estudiado por el Ingeniero Oscar Grado A-36= 2536 kg/cm 2038901.9 kg/cm

Gutirrez. Puede verse en los anexos un resumen de sus resultados mas relevantes. Entre sus recomendaciones mas importantes estn: Nivel de Desplante: Capacidad de Carga: 1.2 m 2.50 kg/cm

1.4 Concepcin EstructuralUna vez que han sido entregados los planos arquitectnicos al ingeniero estructural y estn claramente definidos los materiales de construccin, las cargas ha ser aplicadas y su naturaleza, adems de sus propiedades mecnicas , debemos enfrentarnos a la tarea de concebir un apropiado sistema estructural. Esto implica distribuir y dimensionar la estructura y sus partes para que soporten satisfactoriamente las cargas a que quedaran sometidas. Adems, trazar en forma global la estructura, estudiar las posibles formas estructurales, considerar las condiciones de carga, analizar los esfuerzos, deflexiones, disear los elementos y preparar los planos.

Para concebir apropiadamente un proyecto de tal magnitud como lo es un hotel, utilizamos un mtodo de aproximacin sistemtica, el cual se muestra en la pagina siguiente. Queda fuera del alcance de esta obra entrar en una descripcin minuciosa del mismo, y confiamos en que la imagen se exprese por si misma.


14


CARGAS SISTEMAS

ELEMENTOS SUBSISTEMAS


15


De todo este largo proceso iterativo, en el que probamos hasta 20 modelos, es que obtuvimos un modelo tridimensional matemtico que representa el prototipo fsico del proyecto de forma satisfactoria. Este se usar para predecir analticamente la respuesta de la estructura. En el apndice se encuentran planos detallados de la configuracin en planta y elevaciones utilizadas. Algunos aspectos novedosos que se incorporaron al anlisis fueron: la modelacin de la losa de concreto en sap2000 realizado con shell, constraints y master joints, Automatic frame subdivide y area mesh, stiffness modifiers ; la aplicacin de las cargas muertas y vivas por unidad de superficie, es decir en kg/m(no se tributaron manualmente las cargas a los ejes); la utilizacin de cardinal points, y length offsets para la modelacin correcta de las uniones. point, insertion


16



17


1.4.1 Criterios de estructuracin. Estructuras RegularesUn edificio mal estructurado difcilmente tendr un buen comportamiento durante un sismo, por mucho que el anlisis y el dimensionamiento lo hallamos realizado utilizando las herramientas mas avanzadas. La experiencia obtenida de varios sismos ocurridos en el mundo, muestra que edificios bien estructurados, tienen una mejor respuesta ante la accin ssmica, a pesar que los clculos no fueron bien elaborados.

Para que una estructura pueda considerarse regular debe satisfacer los siguientes requisitos (tomado de la versin revisada del Reglamento Nacional de Construcciones de Nicaragua, Capitulo 10, Articulo 63):

1. Su planta es sensiblemente simtrica con respecto a dos ejes ortogonales por lo que toca a masas, as como a muros y otros elementos resistentes. Estos son, adems, sensiblemente paralelos a los ejes ortogonales principales del edificio.

2. La relacin de su altura a la dimensin menor de su base no pasa de 2.5.

3. La relacin de largo a ancho de la base no excede de 2.5.

4. En planta no tiene entrantes ni salientes cuya dimensin exceda de 20 por ciento de la dimensin de la planta medida paralelamente a la direccin que se considera del entrante o saliente.

5. En cada nivel tiene un sistema de techo o piso rgido y resistente.

6. No tiene aberturas en sus sistemas de techo o piso cuya dimensin exceda de 20 por ciento de la dimensin en planta medida paralelamente a la abertura; las reas huecas no ocasionan asimetras significativas ni difierenElaborado por : Rolando Alberto Araica Barreto. Juan Bautista Alemn Hernndez 18


en posicin de un piso a otro, y el rea total de abertura no excede en ningn nivel de 20 por ciento del rea de la planta.

7. El peso de cada nivel, incluyendo la carga viva que debe considerarse para diseo ssmico, no es mayor que 110 por ciento del correspondiente al piso inmediato inferior ni, excepcin hecha del ltimo nivel de la construccin, es menor que 70 por ciento de dicho peso.

8. Ningn piso tiene un rea, delimitada por los paos exteriores de sus elementos resistentes verticales, mayor que 110 por ciento de la del piso inmediato inferior ni menor que 70 por ciento de sta. Se exime de este ltimo requisito nicamente al ltimo piso de la construccin.

9. Todas las columnas estn restringidas en todos los pisos en dos direcciones sensibles ortogonales por diafragmas horizontales y por trabes o losas planas.

10. La rigidez al corte de ningn entrepiso excede en ms de 50 por ciento a la del entrepiso inmediatamente inferior. El ltimo entrepiso queda excluido de este requisito.

11. La resistencia al corte de ningn entrepiso excede en ms de 50 por ciento a la del entrepiso inmediatamente inferior. El ltimo entrepiso queda excluido de este requisito.

12. En ningn entrepiso la excentricidad torsional calculada estticamente, excede del 10 por ciento de la dimensin en planta de ese entrepiso medida paralelamente a la excentricidad mencionada.


19


Verificacin de estas condiciones en nuestro proyecto:

Condicin 1: Tal como puede observarse en los planos estructurales el hotel el simtrico con respecto al eje Y, y sensiblemente simtrico con respecto al eje x. Condicin 2: Relacin altura a dimensin menor : 11.8/23.12=0.52

tesis estructura

Documents

Transcript of tesis estructura