Criterios de estructuración 18

Contenido

Contenido Prefacio 1 Aspectos Generales

8

Introducción 8 Parámetros de Cargas 9 Materiales de Construcción 9 Pesos unitarios de cargas Muertas 9 Pesos unitarios de cargas vivas 11 Pesos unitarios de cargas accidentales 12 Propiedades mecánicas de Materiales 13 Concepción Estructural 14 Criterios de estructuración 18

2 Criterios de Análisis 2.1 2.2 2.3 2.4

21

Introducción 21 Método Estático Equivalente para Sismo Método Estático Equivalente para Viento Desplazamientos Permisibles 39

3 Criterios de Diseño

23 29

41

3.1 Diseño 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 Diseño de Elementos Principales 3.2.1 Vigas-columnas 53 3.3 Fundaciones 59 Elaborado por : Rolando Alberto Araica Barreto. Juan Bautista Alemán Hernández

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1

Contenido

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

61

4 Análisis y Diseño de la Estructura

85

4.1 Diseño de Elementos Estructurales Secundarios 87 4.1.1 Largueros de Techo 87 4.1.2 Lámina 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 Sísmicas. Método estático Equivalente 115 4.3.1 Pesos En la Estructura Por Niveles 115 4.3.2 Cortante Sísmico 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 Distribución del cortante basal a cada nivel 128 4.3.7 Distribución del cortante de cada nivel a cada eje 129 4.4 Cargas de Viento. Método estático 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 Diseño de Elementos Estructurales Principales en Sap2000 136 4.5.1 Radios de Interacción críticos 136 4.6 Verificación de resultados obtenidos 145 4.6.1 Vigas 145 4.6.2 Columnas 147 4.7 Diseño 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 Alemán Hernández

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Contenido

Apéndices A Planos Arquitectónicos y Estructurales A.1 Planos Arquitectónicos A.2 Planos Estructurales

B Estudio Geológico y de Suelos B.1 Estudio Geológico B.2 Estudio de Suelos

C Especificaciones del Ascensor C.1 Planos técnicos del Ascensor. C.2 Dimensiones estándar y reacciones.

Bibliografía

Elaborado por : Rolando Alberto Araica Barreto. Juan Bautista Alemán Hernández

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Prefacio

Prefacio

“...........Nadie ha visto jamás la creciente mas grande ni el sismo más intenso.....”

Anónimo

Reconociendo la verdad de esta frase, es que presentamos ha ustedes; estimados lectores , esta obra. Cuyo objetivo principal es reflejar, a través de un enfoque sencillo y bien organizado el proceso de diseño sismorresistente de un edificio de acero de tres pisos. Según enseña la experiencia, la tarea de salvar vidas y bienes de los fenómenos sísmicos es difícil, compleja y en algunos casos dramáticamente deficiente. Aún con los grandes avances tecnológicos de los últimos años el diseño sismorresistente de estructuras esta un tanto alejado de ser un arte totalmente dominado. Siendo Nicaragua un país con alto grado de sismicidad, aprender a analizar y diseñar estructuras con técnicas que han demostrado ser exitosas debería ser un requisito indispensable para quienes deseen involucrarse en el estudio, enseñanza y ejercicio profesional de esta área tan especializada.

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

Elaborado por : Rolando Alberto Araica Barreto. Juan Bautista Alemán Hernández

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Prefacio

OBJETIVO GENERAL

 Aplicar los conocimientos teóricos adquiridos en el Curso de Titulación de Obras Verticales, en el Análisis y Diseño Estructural del “Hotel Marques Soleste”, para obtener un diseño satisfactorio, económico y seguro.

OBJETIVOS ESPECIFICOS  Aplicar códigos modernos para el cálculo de cargas actuantes, análisis estructural y diseño de elementos.  Utilizar apropiadamente las herramientas que ofrece el software de Análisis y Diseño Sap2000.  Dibujar esquemas de los resultados obtenidos, para el posterior dibujo de planos constructivos del edificio en AUTOCAD 2005.

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Prefacio

ALCANCES Y LIMITACIONES Con la esperanza de mostrar un proceso lógico, sencillo y apropiado para analizar y diseñar una estructura de acero, es que se ha realizado este proyecto. Aquí, no estamos proponiendo nada novedoso en la ciencia estructural, sino mas bien estamos aplicando correctamente los conocimientos teóricos adquiridos en clase.

Dada la magnitud del proyecto, fue imposible incluir en este documento todas las revisiones efectuadas a

los elementos estructurales, además de todas las

formulas utilizadas y sus referencias. Solo se incluyeron ejemplos de casos típicos. Que quizás no son los mas críticos.

En cuanto al análisis sismorresistente empleado, debemos advertir que el método estático es satisfactorio, pero quizás valga la pena aplicar técnicas de análisis mas avanzadas, por ejemplo análisis estático no lineal, análisis dinámico no lineal, de historia de tiempo y análisis de segundo orden para tomar en cuenta el efecto PDelta.

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

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Diseño Estructural de Un Edificio de Acero de tres plantas

“Hotel Marques Soleste”

Elaborado por : Rolando Alberto Araica Barreto. Juan Bautista Alemán Hernández

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Capitulo 1: Aspectos Generales

CAPITULO 1

Aspectos Generales Cuando una persona camine en los pasillos del elegante y distinguido Hotel Marques Soleste, jamás pensará en el delicado proceso de ingeniería que debe realizarse para obtener una obra de semejante magnitud. En este primer capítulo explicaremos cuales parámetros, pesos Volumétricos y Superficiales, serán considerados en el cálculo de cargas, análisis estructural y diseño de elementos. También, cuales criterios se tomaron en cuenta para

modelar el sistema

estructural propuesto.

1.1 Introducción El Hotel Marques Soleste S.A. pertenece al grupo de inversionistas Soleste Enterprises, quienes seducidos por el crecimiento comercial y turístico que ha experimentado la Bahía de San Juan del Sur en los últimos años, decidieron desarrollar un complejo turístico que incluye, entre otras obras, el proyecto en cuestión. 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 construcción por planta. La localización exacta del mismo puede observarse en el plano de ubicación en los anexos.

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Capitulo 1: Aspectos Generales

1.2 Parámetros de Cargas 1.2.1 Materiales de Construcción Estos fueron establecidos en su totalidad por los dueños 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 lámina de Plycem y recubrimiento Asfáltico.  Cielo raso: De Gypsum.  Divisiones Internas de todos los niveles: De material Liviano, tipo Gypsum.  Entrepiso: Lámina Troquelada con topping de concreto.  Escaleras: Metálicas  Caja de elevadores: Bloques de 15x20x40cm.

1.2.2 Pesos Unitarios de Cargas Permanentes o Muertas Estos fueron obtenidos de diversos códigos y estándares internacionales que hacen referencia al material en cuestión. El peso de cada Componente ( cubierta, cielo, paredes, etc) fue calculado en base a estos. Cabe mencionar que el valor numérico del peso de algunos materiales fue redondeado al entero más próximo, pues no tiene sentido práctico una mayor precisión.  Concreto(ASCE 7-02 tabla C3-2):

2400 kg/m³

 Mortero (ASCE 7-02 tabla C3-2):

2200 kg/m³

 Acero(AISC tabla 17-12):

7850 kg/m³

 Suelo Compactado(ASCE 7-02 tabla C3-2):

1600 kg/m³

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Capitulo 1: Aspectos Generales

 Cubierta de Techo: Shingle Asfáltico (AISC, tabla 17-13): Recubrimiento Asfáltico (AISC, tabla 17-13):

15 kg/m² 1298 kg/m³

Espesor: 1.2 mm Peso por metro cuadrado: 1298*1.2/1000=

1.2 kg/m²

Lámina de Plycem (AMANCO. Manual Técnico):1050 kg/m³ Espesor: 11 mm, para cubiertas exteriores Peso por metro cuadrado: 1050*11/1000= Carga total de cubierta:

11.6 kg/m²

15+1.2+11.6 =

28 kg/m²

 Cielo Raso: Gypsum(ASCE 7-02 tabla C3-2):

1050 kg/m³

Espesor: 10 mm Peso por metro cuadrado: 1050*10/1000=

10.5 kg/m²

Suponemos un esqueletado de madera, el más pesado que se pueda colocar: Cuartones de Pino de 2”x2” pulg. en cuadros de 60x60 cm. Pino (RNC. tabla 4): Área de Cuartones: 0.05x0.05=

685 kg/m3 25.8x10-2 m2

Peso de cuartones por metro: 25.8x10-2 x 685= 1.76 kg/m Cuartones @ 60cm : 1.76/0.6=

2.95 kg/m2

En ambas direcciones: 2*2.95= Carga total de cielo: 10.5+6=

6 kg/m2 16.5 kg/m2

 Paredes exteriores: Peso propio de Panel Covintec(HOPSA, Manual técnico):

4.5 kg/m2

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=

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111.8 kg/m2 40 kg/m2 157 kg/m2

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Capitulo 1: Aspectos Generales

 Paredes internas: Gypsum(ASCE 7-02 tabla C3-2):

1050 kg/m³

Espesor: 10 mm Peso por metro cuadrado en dos caras:2*1050*10/1000=

21 kg/m²

Suponemos un esqueletado de perfiles livianos, el más pesado que se pueda colocar: Secciones “C” de acero doblado en frío (perlines) de 2”x4”x1/16” pulg. en cuadros de 60x60 cm. 7850 kg/m3

Acero: Área de perlin:

353x10-6 m2

Peso de perlines por metro: 353x10-6 x 7850= 2.77 kg/m perlines @ 60cm : 2.77/0.6=

4.61kg/m2

En ambas direcciones: 2*4.61= Carga total de divisiones internas: 21+9.3=  Bloques de 15x20x40cm con repello y fino en ambas caras:

9.3 kg/m2 31 kg/m2 271 kg/m2

1.2.3 Pesos Unitarios de Cargas Vivas Estas fueron obtenidas del Reglamento Nacional de Construcción Vigente. Estas, son las cargas mínimas que deben usarse según el uso que tendrán los espacios arquitectónicos de la estructura.  De techo(RNC, arto.18):

10 kg/m2

Además deberá considerarse una carga puntual de 100 kg en la posición mas desfavorable, para miembros secundarios y 200 kg para miembros principales.  De entrepiso(RNC, arto.17) : Para la combinación con sismo deberá usarse:  De escalera: Elaborado por : Rolando Alberto Araica Barreto. Juan Bautista Alemán Hernández

200 kg/m2 80 kg/m2 500 kg/m2 11

Capitulo 1: Aspectos Generales

1.2.4 Pesos Unitarios de Cargas Accidentales Se llama cargas accidentales a aquellas que son imprevistas, de corta duración y de magnitud considerable. En nuestro caso tendremos principalmente la acción sísmica y eólica.  Acción Sísmica: 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 análisis, de los cuales se hablara detalladamente en el capitulo 2. No obstante, En todos ellos interviene el llamado coeficiente sísmico, el cual depende de diversos

factores tales como: la ubicación, la importancia, el uso y

estructuración del sistema.

Por su destino:

Grupo 2 (Hotel)

El reglamento explícitamente 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 dueño y a costo de una inversión inicial mayor podríamos incluirlo en el Grupo 1. Por sus características estructurales:

Tipo1

(Marco Dúctil)

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

será

garantizada a través de un diseño apropiado. El cerramiento estará 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 simétrico. Esto implica que no lo podemos considerar grado A. Además, por lo incierto de la calidad de la mano de obra es más saludable clasificarlo de este modo.

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Capitulo 1: Aspectos Generales

Por su ubicación:

Zona 4

(San Juan del Sur)

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

Con estos parámetros el coeficiente de ruptura que se obtiene de la tabla 12 es de 0.140 y un coeficiente elástico de 0.1.  Acción Eólica: Es de aceptación general, entre la comunidad de ingenieros de Nicaragua, que los valores para la presión del viento establecidos en el actual Reglamento Nacional, distan mucho de la realidad observada. Así es que, conservadoramente adoptamos una presión máxima de viento de 55 kg/m². La cual fue comparada con la propuesta por Ordaz en el R.N.C 05. y de ambas se escogió la mas crítica.

1.3 Propiedades Mecánicas Estas han sido establecidas para condiciones normales, bajo las cuales se supone tienen un desempeño apropiado. Además, por ser comunes, su costo no es tan elevado. De este modo:  Para el concreto: Esfuerzo de Compresión:

210 kg/cm²

Modulo de elasticidad: 1000*210=

210000 kg/cm²

 Para el Acero de Refuerzo: Punto de Fluencia:

Grado 40=

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2818 kg/cm²

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Capitulo 1: Aspectos Generales

 Para el Acero Estructural: Punto de Fluencia:

Grado A-36=

Modulo de elasticidad :

2536 kg/cm² 2038901.9 kg/cm²

 Para el Suelo de Cimentación: El suelo de cimentación fue estudiado por el Ingeniero

Oscar

Gutiérrez. Puede verse en los anexos un resumen de sus resultados mas relevantes. Entre sus recomendaciones mas importantes están: Nivel de Desplante: Capacidad de Carga:

1.2 m 2.50 kg/cm²

1.4 Concepción Estructural Una vez que han sido entregados los planos arquitectónicos al ingeniero estructural y están claramente definidos los materiales de construcción, las cargas ha ser aplicadas y su naturaleza, además de sus propiedades mecánicas , 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. Además, trazar en forma global la estructura, estudiar las posibles formas estructurales, considerar las condiciones de carga, analizar los esfuerzos, deflexiones, diseñar los elementos y preparar los planos.

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

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Capitulo 1: Aspectos Generales

CARGAS SISTEMAS

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ELEMENTOS SUBSISTEMAS

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Capitulo 1: Aspectos Generales

De todo este largo proceso iterativo, en el que probamos hasta 20 modelos, es que obtuvimos un modelo tridimensional matemático que representa el prototipo físico del proyecto de forma satisfactoria. Este se usará para predecir analíticamente la respuesta de la estructura. En el apéndice se encuentran planos detallados de la configuración en planta y elevaciones utilizadas. Algunos aspectos novedosos que se incorporaron al análisis fueron: la modelación de la losa de concreto en sap2000 realizado con shell, constraints y master joints, Automatic frame subdivide y area mesh, stiffness modifiers ; la aplicación de las cargas muertas y vivas por unidad de superficie, es decir en kg/m²(no se tributaron manualmente las cargas a los ejes); la utilización de cardinal

point, insertion

points, y length offsets para la modelación correcta de las uniones.

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Capitulo 1: Aspectos Generales

Elaborado por : Rolando Alberto Araica Barreto. Juan Bautista Alemán Hernández

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Capitulo 1: Aspectos Generales

1.4.1 Criterios de estructuración. Estructuras Regulares Un edificio mal estructurado difícilmente tendrá un buen comportamiento durante un sismo, por mucho que el análisis 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 acción sísmica, a pesar que los cálculos no fueron bien elaborados.

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

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

2. La relación de su altura a la dimensión menor de su base no pasa de 2.5.

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

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

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

6. No tiene aberturas en sus sistemas de techo o piso cuya dimensión exceda de 20 por ciento de la dimensión en planta medida paralelamente a la abertura; las áreas huecas no ocasionan asimetrías significativas ni difieren Elaborado por : Rolando Alberto Araica Barreto. Juan Bautista Alemán Hernández

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Capitulo 1: Aspectos Generales

en posición de un piso a otro, y el área total de abertura no excede en ningún nivel de 20 por ciento del área de la planta.

7. El peso de cada nivel, incluyendo la carga viva que debe considerarse para diseño sísmico, no es mayor que 110 por ciento del correspondiente al piso inmediato inferior ni, excepción hecha del último nivel de la construcción, es menor que 70 por ciento de dicho peso.

8. Ningún piso tiene un área, delimitada por los paños exteriores de sus elementos resistentes verticales, mayor que 110 por ciento de la del piso inmediato inferior ni menor que 70 por ciento de ésta. Se exime de este último requisito únicamente al último piso de la construcción.

9. Todas las columnas están 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 ningún entrepiso excede en más de 50 por ciento a la del entrepiso inmediatamente inferior. El último entrepiso queda excluido de este requisito.

11. La resistencia al corte de ningún entrepiso excede en más de 50 por ciento a la del entrepiso inmediatamente inferior. El último entrepiso queda excluido de este requisito.

12. En ningún entrepiso la excentricidad torsional calculada estáticamente, excede del 10 por ciento de la dimensión en planta de ese entrepiso medida paralelamente a la excentricidad mencionada.

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Capitulo 1: Aspectos Generales

Verificación de estas condiciones en nuestro proyecto:

Condición 1: Tal como puede observarse en los planos estructurales el hotel el simétrico con respecto al eje Y, y sensiblemente simétrico con respecto al eje x. Condición 2: Relación altura a dimensión menor : 11.8/23.12=0.52