CÁLCULO ESTRUCTURAL HOGAR INFANTIL MUNICIPIO DE JENESANO DEPARTAMENTO DE BOYACÁ ING. MIGUEL ANDRÉS PÁEZ GUTIÉRREZ CALCULISTA PROPIETARIO: MUNICIPIO DE JENESANO TUNJA, AGOSTO DE 2009 DISEÑO ESTRUCTURAL HOGAR INFANTIL JENESANO

Ingeniero Civil MIGUEL ANDRÉS PÁEZ GUTIÉRREZ - Calculista

CÁLCULO ESTRUCTURAL HOGAR INFANTIL JENESANO - BOYACÁ





ESPECTRO ELÁSTICO DE DISEÑO
T (sg)

Sa (g)


CÁLCULO ESTRUCTURAL



HOGAR INFANTIL
MUNICIPIO DE JENESANO
DEPARTAMENTO DE BOYACÁ




ING. MIGUEL ANDRÉS PÁEZ GUTIÉRREZ
CALCULISTA


PROPIETARIO:
MUNICIPIO DE JENESANO






TUNJA, AGOSTO DE 2009

DISEÑO ESTRUCTURAL HOGAR INFANTIL JENESANO

MEMORIAS DE CÁLCULO

GENERALIDADES

El señor FREDY ORLANDO NAIZAQUE Alcalde Municipal, pretende construir el Proyecto del Hogar Infantil, localizado en el Centro Urbano del Municipio de Jenesano en el Departamento de Boyacá.

Con base en la propuesta arquitectónica, el proyecto está conformado por un Hogar Infantil de un piso que consta de cuatro aulas para niños, una sala-cuna, un aula múltiple – comedor, cocina, despensa, cuarto de administración, baños de niñas y niños, cuarto de aseo, acceso en rampa, pasillo principal, rampa de salida y parque infantil, con un área aproximada de 317.14m2. Para su distribución se deben consultar los planos.

SISTEMA ESTRUCTURAL Y CONDICIONES DE DISEÑO

Para la propuesta arquitectónica, el sistema estructural empleado corresponde al de PÓRTICOS (El cual es un sistema estructural compuesto de un pórtico espacial, resistente a momentos, esencialmente completo, y que resiste todas las cargas verticales y fuerzas horizontales).

Para una conformación de la siguiente manera: vigas de cimentación de 0.25x0.25m, vigas corona de 0.20X0.20m, columnas de 0.20x0.20m y D=0.25m, viga cinta culata de 0.20X0.20m. Las rampas de acceso y salida se propusieron como una placa maciza de 0.10m.

El material empleado en el diseño de la edificación es Concreto Reforzado, cuya resistencia no debe ser menor de 21.1MPa (3000PSI), cuyo Módulo de Elasticidad es de 17.872.045,21KN/m2 (3900 f´c), Masa del Concreto de 2.4KN/m3, Peso Específico del Concreto 24 KN/m3 y la relación de Poisson de 0.2; su dosificación no requiere de tratamiento especial dado que no existe un agente abrasivo que pueda alterarlo debido al ambiente al que estará expuesto. El concreto para cimiento ciclópeo debe ser al menos de 17.5MPa (2500PSI) cuyo Módulo de Elasticidad es de 16.314.870,52KN/m2 (3900 f´c); con piedra rajón con una dosificación de 60% rajón y 40% concreto. El acero de refuerzo para barras longitudinales y transversales debe tener como mínimo una resistencia a la fluencia fy = 420MPa (60.000PSI) en diámetros mayores y/o iguales de 3/8", para varillas de 1/4" el fy = 238MPa (34.000PSI), el módulo de elasticidad del acero es de 200.000.000 KN/m2.

Para el diseño de la cimentación, teniendo en cuenta las características del proyecto se emplearon zapatas aisladas.

Desde el punto de vista sísmico la edificación estará localizada en una zona de amenaza sísmica alta, con un coeficiente de aceleración máximo horizontal Aa = 0.25g, permitiendo un análisis de la estructura con un grado de disipación de energía moderada DES. Las características locales del suelo de soporte, según estudio de suelos, establecen un perfil de suelo S2, correspondiente a un coeficiente de sitio S = 1.2.

El uso de la edificación es guardería y colegio por lo que se clasifica, de acuerdo a la NSR-98, dentro del grupo de edificaciones de ocupación especial, con un coeficiente de importancia I = 1.1.

El sistema estructural, la configuración estructural y las características de los materiales determinan que el valor del coeficiente de disipación de energía básico para la estructura Ro sea igual a 7.0.

Además, del análisis de carga sísmica para el diseño estructural de la edificación, se tuvo en cuenta la carga muerta, peso propio de la estructura y carga viva o de uso, las cuales se pueden detallar en el presente informe.


DIMENSIONAMIENTO

NORMAS DE APLICACIÓN

Para el cálculo, diseño y construcción de la estructura, se ha tenido en cuenta la Norma Colombiana de diseño y Construcción Sismo Resistente NSR-98, la cual aplica y es vigente para todo el territorio Colombiano.

MÉTODO DE CÁLCULO

CONCRETO REFORZADO

Para la evaluación de las solicitaciones (cargas) y el análisis de la estructura con los materiales propuestos, se ha considerado los principios de la Mecánica Racional y las teorías clásicas de la Resistencia de Materiales y Elasticidad.

El método de cálculo es el del Estado Límite de Resistencia, el cual es un método de diseño para estados límites, que considera las solicitaciones últimas de un elemento estructural o de una estructura, y que a la vez este último, es un método para diseñar estructuras, de tal manera que la probabilidad de falla para ciertos estados límites son considerados importantes, y que por lo general, se estudian límites de servicio y de resistencia.

Las estructuras de concreto, sus componentes, excepto su cimentación (según indicado en numeral A.3.2.7.2. de la NSR-98), que utilicen el método de estado límite de resistencia, deben diseñarse de tal manera que su resistencia de diseño exceda los efectos de las solicitaciones mayoradas de acuerdo a una serie de combinaciones de carga.

CARACTERÍSITCAS DE LOS MATERIALES A UTILIZAR

Los materiales "recomendados" a utilizar así como las características de los mismos, niveles de control previstos, y coeficientes de seguridad, se indican en el siguiente cuadro:

CONCRETO REFORZADO

CONCRETO


Elementos de Concreto Reforzado (Nuevos)

Toda la obra
Cimentación
Columnas
Placa de Entrepiso
Otros
Resistencia mínima característica a los 28 días: fck(MPa)

21.0
21.0
21.0
21.0
Tipo de cemento recomendado
Tipo l
(si las condiciones requieren de otro, debe ser utilizado)
Cantidad máxima/mínima de cemento (Kg/m3)
400/300




Tamaño máximo del árido (mm)

25
20
12/20
20
Consistencia del hormigón

Plástica
Blanda
Blanda
Blanda
Asiento cono de Abrahams (cm)

3 a 5
5 a 8
5 a 8
5 a 8
Sistema de compactación
Vibrado




Nivel de control previsto
Normal





ACERO EN BARRAS


Elementos de Concreto Reforzado

Toda la obra
Cimentación
Columnas
Placa de Entrepiso
Otros
Designación

PDR 60
PDR 60
PDR 60
PDR 60
Límite Elástico

420
420
420
420
Nivel de control previsto
Normal





ENSAYOS A REALIZAR

CONCRETO REFORZADO

De acuerdo a los niveles de control previstos, se realizarán los ensayos pertinentes de los materiales, acero y concreto según se indica el título C de la NSR-98, y el control de calidad previsto en los Normas Técnicas de Colombia NTC, para la construcción.

ACEROS ESTRUCTURALES

Se harán los ensayos pertinentes de acuerdo a lo indicado en la NSR-98 y las Normas Técnicas de Colombia NTC.

LÍMITES DE DEFORMACIÓN DE LOS ELEMENTOS DE LA ESTRUCTURA

Para cada elemento y la estructura en CONJUNTO RESIDENCIAL se tendrá en cuenta lo establecido en la NSR-98, para el control de deformaciones y evaluación de deriva.

En los elementos de concreto reforzado se establecen los siguientes límites de deflexión en vigas:

Tipo de Elemento
Deflexión que se considera
Deflexión Límite
Cubiertas o losas que soportan o están unidos a elementos no estructurales susceptibles de daño debido a deflexiones grandes.
La parte de la deflexión total que se presenta después de la unión a elementos no estructurales, o sea la suma de las deflexiones a largo plazo debida a cargas permanentes, más la debida a cualquier viva adicional.
l360=1.82cm



EVALUACIÓN DE CARGAS

ACCIONES GRAVITATORIAS

Cargas superficiales.

PESO PROPIO

Este es calculado con ayuda del software para el diseño estructural de la edificación, se introducen las dimensiones de todos los elementos, lo más detallado posible.

Cubierta
Teja Sandwich Deck: = 0.13KN/m2
Correas: = 0.30KN/m2

Total Carga de Cubierta: = 0.43 KN/m2

SOBRECARGA DE USO (VIVA)

De acuerdo con la NSR-98 Capítulo B.4 el valor de la carga viva está en función del uso de la edificación. Para este caso es:

Cubierta pendiente mayor al 20% 0.35KN/m2

CARGAS LINEALES

Peso Propio Muros
Muros (Fachada) alzado 3.00KN/m2
Muros (Fachada) alzado 3.00KN/m2




ACCIÓN SÍSMICA

ESPECTRO DE DISEÑO

Con los datos tomados del Capítulo 2 establecidos por la NSR-98, se procede a determinar el espectro de diseño, el cual esta definido por un coeficiente de amortiguamiento igual al 5% del crítico.


 
Aa =
0,25

S =
1,20

I =
1,10

TC =
0,576

TL =
2,88

Sa
T (sg)
100%
30%
0,00
0,6875
0,2063
0,10
0,6875
0,2063
0,20
0,6875
0,2063
0,30
0,6875
0,2063
0,40
0,6875
0,2063
0,50
0,6875
0,2063
0,58
0,6875
0,2063
0,60
0,6600
0,1980
0,70
0,5657
0,1697
0,75
0,5280
0,1584
0,80
0,4950
0,1485
0,90
0,4400
0,1320
1,00
0,3960
0,1188
1,10
0,3600
0,1080
1,20
0,3300
0,0990
1,40
0,2829
0,0849
1,60
0,2475
0,0743
1,80
0,2200
0,0660
2,00
0,1980
0,0594
2,50
0,1584
0,0475
2,88
0,1375
0,0413
3,00
0,1375
0,0413
3,50
0,1375
0,0413
3,60
0,1375
0,0413
4,00
0,1375
0,0413
4,50
0,1375
0,0413




CÁLCULO DEL DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL

FUERZA HORIZONTAL EQUIVALENTE

Dado que los efectos sísmicos pueden ser preponderantes en cualquier dirección horizontal, la estructura debe tener resistencia sísmica en todas las direcciones por tanto el sistema estructural de resistencia sísmica, debe existir aproximadamente en dos direcciones ortogonales, de tal manera se garantiza la estabilidad tanto de la estructura como de cada uno de sus elementos ante un movimiento sísmico.

Según la NSR 98 los valores de cada una de las variables son los siguientes:

Ct = 0.08 Para pórticos resistentes a momentos de concreto reforzado.
Aa= 0.25 Coeficiente que representa la aceleración pico efectiva para diseño.
S2 = 1.20 Coeficiente de sitio.
I = 1.10 Coeficiente de importancia.
Sa = ? Valor del espectro de aceleraciones de diseño para un periodo determinado de vibración.
h = 4.10m Altura efectiva de la edificación.

Ta = Ct x h3/4 Periodo aproximado.
Ta = 0.08 x 4.103/4 = 0.228sg
1.2Ta = 1.2x0.228sg
1.2Ta = 0.274sg
Del Análisis Dinámico realizado por Sap 2000, se obtuvieron los siguientes periodos fundamentales en las direcciones X y Y.


Tx = 0,174718sg Modo 2 < 1,2Ta, OK
Ty = 0,209281sg Modo 1 < 1,2Ta, OK

Periodos definitivos en cada dirección

Tx = 0,174718sg
Ty = 0,209281sg

Para el análisis sísmico:

NIVEL
W piso (KN)
M piso (Ton)
CUB. 2,50m
207,47
21,15
 
 
 
TOTAL =
207,47
21,15

DISTRIBUCIÓN DE LAS FUERZAS SÍSMICAS EN SENTIDO X
Fx=CvxVs

Cvx=mxhxki=1nmihik


Como Tx = 0,174718sg es menor que Tc = 0,720sg, se utiliza la fórmula de Sa = 2,5*Aa*I
Sa = 2,5*Aa*I = 0,6875g
Vbase x = Sa*g*M = 0,6815sg*9,81m/sg2*207.47Ton
Vbase x = 142.64KN
k = 1

NIVEL
h (m)
Mi (KN)
Mi*hk
Cvxi
Fx (KN)
Vx (KN)
CUB. 2,50m
2,50
21,15
52,87
1,000
142,64
142,64
 
 
 
 
 
 
 
TOTAL =
 
21,15
52,87
1,00
142,64
 

DISTRIBUCIÓN DE LAS FUERZAS SÍSMICAS EN SENTIDO Y
Fy=CvyVs

Cvy=myhyki=1nmihik

Como Ty = 0,209281sg es menor que Tc = 0,720sg, se utiliza la fórmula de Sa = 2,5*Aa*I

Sa = 2,5*Aa*I = 0,6875g
Vbase x = Sa*g*M = 0,6815sg*9,81m/sg2*207.47Ton
Vbase x = 142.64KN
k = 1

NIVEL
h (m)
Mi (KN)
Mi*hk
Cvxi
Fx (KN)
Vx (KN)
CUB. 2,50m
2,50
21,15
52,87
1,000
142,64
142,64
 
 
 
 
 
 
 
TOTAL =
 
21,15
52,87
1,00
142,64
 


EVALUACIÓN DE LA DERIVA

La deriva máxima en cualquier punto del piso i, se obtiene como la diferencia entre los desplazamientos horizontales totales máximos del punto en el piso i y los desplazamientos horizontales máximos de un punto localizado en el mismo eje vertical en el piso i-1, por medio de la siguiente ecuación:

máxi= j=12δtot,ji-δto,ji-1

El cumplimiento del cálculo de la deriva para cualquier punto del piso se puede realizar verificándola solamente en los ejes verticales de la columna y en los puntos localizados en los borde de los muros estructurales.

LÍMITES DE LA DERIVA

En estructuras de concreto reforzado, la deriva máxima en cualquier punto de la estructura, no puede exceder el 1.0% máxi 0.010hpi de la altura del piso hpi en elementos estructurales, y 0.5% para elementos no estructurales, por tal razón, éstos últimos deben estar dispuestos de tal manera, que garanticen un correcto anclaje a la estructura, evitando un colapso prematuro.

COMBINACIONES DE CARGA CONSIDERADAS

CONCRETO REFORZADO

Definidos los estados de carga según su origen, y teniendo en cuenta sus efectos desfavorables, se procede a calcular sus combinaciones básicas de la siguiente manera, previstas para el diseño de los elementos estructurales, según la NSR-98:

1.4D + 1.7L
1.05D + 1.28L + 1.0E
0.9D + 1.0E

Donde:

D: Carga muerta consistente en a) Peso Propio del elemento, b) Peso de todos los materiales por elemento, incluyendo muros y particiones divisorias de ambiente y, c) Peso del equipo permanente.

E: Fuerzas sísmicas reducidas de diseño (E = Fs/R) que se emplean para diseñar los miembros estructurales. Estas fuerzas Fs, incluyen el efecto de tener en cuenta el 30% de carga en una dirección con el 100% de carga en la dirección perpendicular a ésta; viceversa y el primer modo de vibración de la estructura.

L: Cargas vivas debidas al uso y la ocupación de la edificación, incluyendo cargas debidas a objetos móviles, particiones que se puedan cambiar de sitio. L incluye cualquier reducción que se permita.

R: Coeficiente de capacidad de disipación de energía básico para ser empleado en el diseño; corresponde al coeficiente de capacidad de disipación de energía básico multiplicado por los coeficientes de reducción de capacidad de disipación de energía por irregularidad en altura y en planta (R = Φa ΦpRο).

Para determinar el coeficiente de capacidad de disipación de energía R, se utiliza lo establecido por la norma NSR-98 en el capítulo A.3. Para la obtención del coeficiente de disipación de energía básico Rο se tiene en cuenta la tabla A.3.3, el cual se adopta un Rο = 7.0.


R = 7.0 = 7.0



















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MIGUEL ANDRÉS PÁEZ GUTIÉRREZ
Ingeniero Civil
M.P. 15202 – 115632BYC









































ANEXO:

RESULTADOS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL