Analisis y Diseño de Secciones Compuestas Acero y Concreto LRFD

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

RECINTO PEDRO ARAUZ PALACIOS

FACULTAD TECNOLOGIA DE LA CONSTRUCCION

UNI – RUPAP

Revisión del Diseño Estructural del Hospital Monte España Villa

Fontana. Análisis y Diseño de Secciones Compuestas de Acero y

Concreto, por El Método LRFD.

Monografía para optar al Título de Ingeniero Civil.

Presentado por:

Br. Flor de María Ñurinda Ortega

Br. René Jesús Bermúdez Cruz

Br. Giddel Guido Monge.

Tutor:

Ing. Juan Sampson Munguía.

Asesor:

Msc. Ing. Julio Maltéz

Managua, Nicaragua

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Elaborado por: Br. Flor de María Ñurinda Ortega, Br. René Jesús Bermúdez Cruz y Br. Giddel Guido Monge.

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Dedicatoria

Mi madre Sra. Lastenia Ortega, con su abnegación y sacrificio en servicio de sus hijos, ha sido la impulsadora y luz en mi camino gracias a su fé. Mi sabio abuelito Sr. Santiago Ñurinda, consejero y Pilar de mi familia. Mi hermana Fátima del C. Ñurinda, salvaguarda, refugio y compañía en todo momento. Mi madrina Sra. Marina Carrión, ángel protector de mis pasos. Y mi amiga Rosa E. Bolaños, su alegría y entusiasmo hacen de la vida un jardín de rosas.

Br. Flor de María Ñurinda Ortega.

Agradezco a Dios por haberme permitido llegar hasta finalizar mi carrera profesional, a mi madre Nubia Cruz Pérez por inculcarme la dedicación al estudio y el bien común, a mi padre René Bermúdez López por haberme apoyado a lo largo de mi educación moral y científica, a mi Tía Astrid Cruz Pérez por haberme brindando su apoyo incondicional en mi vida y estudios, a mi Tío Roger por compartir sus conocimientos y apoyo a lo largo de este trayecto, a María de Jesús Díaz por brindarme su cariño y apoyo a mis hermanos Adriana y Theo, a mi abuela Concepción por su afecto y cariño, a mis Tías Gioconda, Ruth, por aconsejarme y corregirme a mi “hermano” Mario Ayapal, mis primos Alejandro

Agustín, Fidel, José René, a mis amigos Lahskar, Eddy, Eduardo y mis especiales compañeros de este tema monográfico Flor de María Ñurinda Ortega y Giddel Guido Monge a quien agradezco la culminación de la misma.

Br. René Jesús Bermúdez Cruz.

Dedico el éxito de este trabajo a las personas que con su apoyo les pertenece de igual manera.

Mis padres Enna Monge Chaverry y Gilberto Guido Cruz, los que con incansable paciencia y sacrificios me han brindado el mejor tesoro, valores humanos además de materiales, para poder emprender mi formación y desarrollo profesional.

A mi hijo Kevin Alexander y mis hermanos Urías y Saura Lorelia, quienes me brindaron confianza y apoyo en todo momento, a mi cuñada Aleyda y a mis tíos Ana Julia, Agustín, Danelia, y Edelma quienes me han apoyado de manera desinteresada.

Además dedico este trabajo monográfico, a los estudiantes de Ingeniería Civil de la Facultad, que les sirva de apoyo y guía en temas de investigación.

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Elaborado por: Br. Flor de María Ñurinda Ortega, Br. René Jesús Bermúdez Cruz y Br. Giddel Guido Monge.

Agradecimientos

A las Fuerzas Sacrosantas:

Mi Dios Padre Todopoderoso, a su Hijo

Jesucristo y al Espíritu Santo, dador de

sabiduría.

A mi Madre amorosa María Santísima,

poderosa Intercesora y Bienhechora.

A las Fuentes Terrenas:

Mis compañeros René J Bermúdez y Giddel

Guido, juntos hemos compartido una meta,

la ilusión de obtener el Título Profesional con

los cimientos de la solidaridad y la

colaboración.

Al Ing. Juan Alberto Sampson, orientador y

guía en momentos de ignorancia.

Flor de María.

A las siguientes personas: Henry Medrano (Hospital Monte España), Arq. Eyner Espinoza (Hospital Monte España), Arq. Leonardo Icaza (Alcaldía de Managua) Ing. Gustavo Alemán (De Guerreros), Ing. Guillermo Chávez a y especialmente a nuestro Tutor Ing. Juan Sampson a quien le agradecemos su asesoría y tiempo dedicado a esta Monografía, sin él no se hubiera podido realizar.

René Jesús.

Es un honor para mí el poder agradecerles a estas personas, ya que sin su aporte, la realización de esta obra hubiera sido casi imposible poder finalizarla.

Primeramente a Dios por darme vida y haberme permitido culminar mis estudios universitarios, logrando de esta manera un objetivo muy importante académicamente.

Al ingeniero Juan Alberto Sampson Munguía, por habernos brindado asistencia técnica tanto en la elección del tema, proceso de investigación, material bibliográfico y tutoría en el desarrollo del trabajo monográfico.

A mis compañeros de trabajo Flor de María Ñurinda y René de Jesús Bermúdez, quienes fueron las personas con las cuales compartí mucho tiempo, dedicación y esfuerzo para alcanzar la culminación de mis estudios.

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Índice

GENERALIDADES 1.1 RESUMEN ... 1 1.2 INTRODUCCION ... 2 1.3 ANTECEDENTES ... 4 1.4 JUSTIFICACIÓN ... 6 1.5 OBJETIVOS ... 8 1.5.1 Objetivo General ... 8 1.5.2 Objetivos Específicos ... 8 MARCO TEORICO 2.1 FUNDAMENTOS DE ANALISIS. ... 9 2.2 Métodos de Diseño ... 12 2.2.1 Método Distribución de Esfuerzos Plásticos. ... 12 2.2.2 Método Compatibilidad de Tensiones (Distribución de Esfuerzos Elásticos) ... 14 2.2.3 Modal Espectral ... 15 2.3 Elementos Principales ... 17 2.3.1 Vigas Compuestas ... 17 2.3.1.1 Guía en las proporciones del claro‐peralte ... 18 2.3.1.2 Tipos de conexiones de cortante ... 19 2.3.1.3 Condiciones de Claro ... 20 2.3.1.4 Modos de Falla ... 21 2.3.2 Entrepisos Compuestos ... 23 2.3.2.1 Acción Diafragmática de Sistemas de Láminas de Acero. ... 24 2.3.2.2 Influencia de la lámina de acero en la conexión de cortante ... 25 2.3.3 Columnas Compuestas. ... 26 2.4 CONEXIONES ... 27 2.4.1 Placa Base. ... 27 2.4.2 Otras Conexiones ... 28 2.4.3 Regularidad en Edificios. ... 31 2.4.4 Irregularidades en Edificios. ... 32

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Elaborado por: Br. Flor de María Ñurinda Ortega, Br. René Jesús Bermúdez Cruz y Br. Giddel Guido Monge. 2.4.4.1 Irregularidades Verticales ... 32 2.4.4.2 Irregularidades Horizontales. ... 33 DISEÑO METODOLOGICO 3.1 Metodología Utilizada. ... 35 3.1.1 Parámetros de Carga. ... 36 3.1.2 Peso unitario de Cargas Vivas. ... 37 3.1.3 Peso de Cargas Accidentales. ... 38 3.1.4 Clasificación Sísmica de la Estructura. ... 38 3.1.5 Análisis e Interpretación de Resultados. ... 40 3.2 Criterios de Diseño de Acero y Concreto. ... 41 3.2.1 Diseño de Miembros de Acero. ... 42 3.2.1.1 Diseño de elementos secundario a flexión, por el Método del LRFD. ... 42 3.2.1.2 Elementos inclinados: clavadores, viguetas secundarias. ... 42 3.2.1.3 Capacidad a flexión de las Vigas Secundarias de Acero para la losa de entrepiso. ... 43 3.2.1.4 Capacidad a Flexo‐Compresión de las Secciones de Acero. ... 43 3.2.1.5 Capacidad de Carga Axial de las secciones de Acero. ... 43 3.2.2 Capacidad Carga de los Miembros de Concreto. ... 44 3.2.3 Diseño de las Conexiones Restringidas con Soldaduras. ... 44 3.3 Generalidades de Miembros Compuestos ... 44 3.3.1 Resistencia Nominal de las Secciones Compuestas. ... 44 3.3.2 Método de Distribución de esfuerzos plásticos. ... 45 3.3.3 Método de aproximación Resistencia‐compatibilidad. ... 46 3.3.4 Limitaciones del Material. ... 46 3.4 DISEÑO de las Secciones Compuestas ... 46 3.4.1 Columnas Compuestas Embebidas. ... 46 3.4.1.1 Resistencia a Compresión de Columnas Compuestas Embebidas. ... 47 3.4.1.2 Resistencia a Tensión de Columnas Compuestas Embebidas. ... 48 3.4.1.3 Resistencia al Corte de las Columnas Compuestas Embebidas. ... 48 3.4.1.4 Transferencia de Carga entre el Acero y el Concreto. ... 48 3.4.1.5 Detallamiento Requeridos. ... 49 3.4.1.6 Resistencia de los pernos de cortante. ... 49

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3.4.2 Columnas Compuestas Llenadas. ... 50 3.4.2.1 Resistencia a Compresión de las Columnas Compuestas Llenadas. ... 50 3.4.2.2 Resistencia a Tensión de las Columnas Compuestas Llenadas. ... 50 3.4.2.3 Resistencia al Corte de Columnas Compuestas Llenadas. ... 51 3.4.2.4 Transferencia de Carga entre al Acero y el Concreto. ... 51 3.4.2.5 Detallamiento requeridos. ... 51 3.4.3 Diseño de Lámina Troquelada. ... 51 3.4.3.1 Localización del Eje Neutro ... 51 3.4.3.2 Módulo de Cortante de la Sección Compuesta: ... 52 3.4.3.3 Momento de Inercia sin ruptura (Referencia la parte superior de la losa): ... 52 3.4.3.4 Inercia Promedio. ... 52 3.4.3.5 Resistencia a Cortante. ... 53 3.4.3.6 Resistencia a Cortante y Flexión. ... 53 3.4.4 Miembros sometidos a Cargas de Flexión ... 53 3.4.4.1 Ancho Efectivo de la losa de Concreto. ... 54 3.4.4.2 Resistencia a Corte de Elementos sometidos a Flexión. ... 54 3.4.5 Resistencia de las Vigas Compuestas con conectores de cortante. ... 54 3.4.5.1 Resistencia a Flexión Positiva. ... 54 3.4.5.2 Resistencia a Flexión Negativa. ... 56 3.4.5.3 Vibración de la Viga ... 57 3.4.5.4 Refuerzo Transversal de la Losa. ... 60 3.4.6 Resistencia de una Viga Compuesta con láminas de Acero. ... 60 3.4.6.1 Generalidades. ... 60 3.4.7 Miembros sometidos a Cargas Combinadas. ... 61 3.5 Alternativa para determinar la Capacidad de los Miembros Compuestos EMBEBIDOS. ... 61 3.5.1 Capacidad plástica a flexión para miembros rectangulares compuestos con secciones de acero W embebidas en concreto con respecto al eje X‐X. ... 61 3.5.1.2 Capacidad plástica a flexión para miembros rectangulares compuestos con secciones de acero W embebidas en concreto con respecto al eje Y‐Y. ... 63 3.5.1.3 Capacidad plástica a Compresión de miembros rectangulares compuestos con secciones de acero W embebidas en concreto respecto al eje X‐X. ... 64 3.5.1.4 Capacidad plástica a compresión de miembros rectangulares compuestos con secciones de acero W embebidas en concreto respecto al eje Y‐Y. ... 65

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Elaborado por: Br. Flor de María Ñurinda Ortega, Br. René Jesús Bermúdez Cruz y Br. Giddel Guido Monge. 3.5.2 Capacidad de Miembros Sometidos a Cargas Combinadas (Vigas‐Columnas). ... 65 3.5.2.1 Capacidad a flexo‐compresión de los Miembros Compuestos en el eje X‐X. ... 66 3.5.2.2 Capacidad a flexo‐compresión de los miembros compuestos en el eje Y‐Y. ... 67 3.6 Diseño de Miembros Compuestos Sometidos a flexión Positiva. ... 69 3.7 Diseño de Miembros Compuestos Sometidos a Compresión. ... 71 3.8 Diseño de Miembros Compuestos Sometidos a Flexo‐Compresión. ... 72 ANALISIS REVISION Y DISEÑO 4.1 Clasificación Sísmica del Edificio según el RNC‐07. ... 75 4.1.1 Factor de Reducción de Ductilidad. ... 75 4.1.2 Factor de Reducción por Sobre resistencia; del Arto. 22 del RNC‐2007, el valor de Ω=2. ... 75 4.1.3 Factor de Corrección por Condiciones de Regularidad. ... 75 4.1.4 Espectros Aplicables a los Análisis Estático y Dinámico. ... 75 4.1.5 Cálculo del Coeficiente Sísmico. ... 76 4.1.6 Verificando que se cumple con el Arto 33 del RNC‐07. ... 76 4.2 Irregularidades del Hospital Monte España. ... 77 4.2.1 Irregularidades en Planta. ... 77 4.2.2 Irregularidades Verticales. ... 78 4.3 Resultados del Programa. ... 79 4.3.1 Periodo Fundamental del Programa. ... 79 4.4 Condiciones de Regularidad Edificio Hospital Monte España. ... 80 4.5 Diseño de Elementos Principales. ... 84 4.5.1 Revisión de Columna Embebida. ... 84 4.5.2 Diseño de Columna de Caja Metálica. ... 92 4.5.3 Revisión Viga Embebida (VIG.COMP‐1) ... 95 4.5.4 Diseño Viga Compuesta con Lámina Troquelada... 101 4.5.5 Diseño de Muro de Corte ... 110 4.5.6 Diseño de Arriostres. ... 114 4.5.6.1 Wide Flange. ... 114 4.5.6.2 Caja Metálica ... 116 4.6 Revisión y Diseño de Elementos Secundarios. ... 118 4.6.1 Diseño de la Escalera Principal del Edificio. (AISC LRFD‐05.) ... 118

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4.6.1.1 Cargas Aplicadas a los Elementos Principales y Secundarios de la Escalera. ... 118 4.6.2 Revisión Viga Secundaria de Entrepiso. ... 124 4.6.3 Revisión Lamina troquelada (DECK). ... 127 4.6.4 Diseño de Elementos en Cerchas de Entrepiso. ... 131 4.6.4.1 Diseño de Diagonales. ... 131 4.6.4.2 Diseño de Cuerdas. ... 132 4.7 DISEÑO DE ELEMENTOS DE TECHO ... 134 4.7.1 Diseño del Perlín de techo ... 134 4.8 Diseño de Conexiones. ... 137 4.8.1 Placa Base en Concreto. ... 137 4.8.2 Diseño de Conexión Soldada Viga‐Columna. ... 143 4.8.3 Diseño de Conexiones Soldadas en Arriostres (X‐Braced). ... 148 4.8.4 Diseño de Conexiones Soldadas en Arriostres (X‐Braced). ... 149 4.9 Diseño de Fundaciones ... 151 4.9.1 Diseño de Fundación de Muro de Corte. (ACI‐2002). ... 151 4.9.2 Diseño de Zapata y Pedestal ... 155 COSTO Y PRESUPUESTO 5.1 Criterios de Cálculo. ... 166 5.2 Tabla de Costos Directos Sección Compuesta. ... 167 5.3 Tabla de Costos Directos Concreto Reforzado. ... 168 5.4 TIEMPOS POR Actividad y Total en Sistema de Secciones Compuestas. ... 169 5.5 Tiempos por Actividad y Total en Sistema de Concreto Reforzado. ... 171 5.2 Resultados ... 172 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 Conclusiones ... 173 6.2 Recomendaciones. ... 175 BIBLIOGRAFIA ... 179 ANEXOS Reporte del Programa ETABS 9.2 (ANÁLISIS ESTÁTICO). ... 181 Reporte del programa ETABS 9.2 (ANÁLISIS DINÁMICO). ... 184

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Elaborado por: Br. Flor de María Ñurinda Ortega, Br. René Jesús Bermúdez Cruz y Br. Giddel Guido Monge.

Simbología.

Símbolo Definición.

a

Profundidad del bloque de Whitney, in (Mpa).

a0 Fracción de la Aceleración de la Gravedad. A-36. Acero Grado 36 (36 Ksi).

AB Área de Concreto Cargada, in² (mm²).

AC Área Bruta de la Sección de Concreto, in² (mm²).

ACI American Concrete Institute (Instituto Americano de Concreto).

AISC-LRFD American Institute of Steel Construction-Load & Resistance Factor Design (Instituto Americano de Construcciones de Acero-Factor de Diseño por Carga y Resistencia).

Ag Área de Concreto, in² (mm²).

Ar Área del Refuerzo de la Losa de Concreto, in² (mm²). As Área de la Sección de Acero Estructura, in² (mm²).

Asc Área de la Sección Transversal de un Perno de Corte, in² (mm²). Asf Área del Patín de la Sección de Acero, in² (mm²).

Asr Área del Refuerzo de Acero Longitudinal, in² (mm²). Ast Área del Refuerzo de Corte (Estribos), in² (mm).

ASW Área del Alma de la Sección de Acero, in² (mm²).

AWS American Welding Society (Asociación Americana de Soldadura). b Ancho de la Sección de Concreto, in² (mm).

b Ancho de una Sección HSS, in (mm). C Coeficiente Sísmico para Análisis Estático.

C Fuerza a Compresión en la losa de Concreto, Kips (Kg).

C1 Coeficiente de Corrección de la Rigidez del Concreto para las Columnas Compuestas Embebidas. C2 Coeficiente de Corrección de P0 para las Columnas Compuestas Llenadas: 0.85 Secciones

Rectangulares, 0.95 Secciones Circulares.

C3 Coeficiente de Corrección de la Rigidez del Concreto para Columnas Compuestas Llenadas. C.M. Carga Muerta, Psf (Kg /m²).

Cr Promedio de la distancia de la cara del refuerzo longitudinal a compresión hasta la cara del

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C.V. Carga Viva, Psf (kg/m²).

CVR Carga Viva Reducida, Psf (Kg/m²).

d Peralte Efectivo de la Sección de Concreto, in (mm).

d1 Distancia desde la fuerza a Compresión del Concreto a la parte superior de la Sección de Acero, in (mm).

d2 Distancia desde el centroide de la fuerza a compresión de la sección de Acero hasta la parte superior de la sección; en ausencia de compresión d2=0, in (mm).

d3 Distancia desde la Resultante a tensión de la Sección de Acero a la parte superior del peralte de la Viga, in (mm).

D Diámetro de una Sección HSS, in (mm). EC Módulo de Elasticidad del Concreto, Ksi (Mpa).

EIeff Rigidez efectiva de la Sección Compuesta, Kips-in4 (Kg-mm4). Es Módulo de Elasticidad del Acero, Ksi (Mpa).

ETABS Extended Three Dimensional Analyses of Building Systems. (Análisis Tridimensional Extendido a Sistemas de Edificios)

f’c Esfuerzo Especificado a Compresión del Concreto, Ksi (Mpa). Fu Resistencia Última Especificada del Acero, Ksi (Mpa).

Fy Resistencia Limite de Fluencia Especificado del Acero Estructural, Ksi (Mpa). Fyf Esfuerzo Limite de Fluencia Especificado del Patín del Perfil de Acero, Ksi (Mpa).

Fyr Resistencia Limite de Fluencia Especificado del Acero longitudinal de Refuerzo, Ksi (Mpa). Fyw Esfuerzo Limite de Fluencia Especificado del Alma del Perfil de Acero, Ksi (Mpa).

h Altura del Alma, in (mm).

HSS Hollow Structural Steel (Perfiles de Acero Huecas). Iav Momento de inercia promedia de la lámina troquel, in4. Ic Momento de inercia del concreto, in4.

Ic Momento de inercia con ruptura de la lamina troquel, in4.

ILB Lower Bound Moment of Inertia (Momento de Inercia más Bajo), in4 (mm4). Isr Momento de Inercia de las Barras de Refuerzo, in4 (mm4).

Iuc Momento de Inercia sin ruptura de la lamina troquel, in4. K Factor de Longitud Efectiva.

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Ksi Kilo Pounds Square Inches (Kilo Libra por Pulgada Cuadrada). Kg. /m² Kilogramo por Metro Cuadrado.

L Longitud del Miembro en Análisis; ft, in (m, cms). Lb Longitud del miembro si soporte lateral in.

Lp Longitud limite sin soporte para el estado límite de plasticidad in.

Lr Longitud limite sin soporte lateral para el estado falla lateral torsionante por el estado inelástico in. Mnx Momento Nominal Resistente de la Sección respecto al eje X-X, Kips-ft (Kg-m).

Mny Momento Nominal Resistente de la Sección respecto al eje Y-Y, Kips-ft (Kg-m). Mux Momento Actuante respecto al eje X-X, Kips-ft (Kg-m).

Muy Momento Actuante respecto al eje Y-Y, Kips-ft (Kg-m). Mp Momento Nominal Resistente Plástico, Kips-ft (Kg-m). Mpa Unidad Internacional de Medida, Mega Pascal. Pe Carga Elástica Crítica de Pandeo de Euler, Kips (Kg). Pn Carga Axial Nominal Resistente de la Sección, Kips (Kg).

P0 Resistencia Nomina Axial a Compresión sin considerar los efectos de longitud, Kips (Kg).

PP Diseño por Resistencia del Soporte, Kips (Kg). Psf. Pound Square Foot (Libra por Pie Cuadrado). Pu Carga Axial Actuante a la Sección, Kips (Kg).

Py Resistencia a Tensión de la Sección de Acero, Kips (Kg). Pyc Resistencia a Compresión de la Sección de Acero, Kips (Kg). Q’ Factor de Reducción por Ductilidad Corregido.

Qn Resistencia Nominal de los Pernos de Corte, Kips (Kg).

rx,y Radio de giro de la Sección en los ejes principales de análisis, in (cms). RNC-07 Reglamento Nacional de la Construcción de Nicaragua 2007.

S x,y Modulo de Cortante de la Sección sobre los ejes principales, in3_. s Separación del Refuerzo al Corte, in (mm).

S Factor de Amplificación por Tipo de Suelo.

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SAFE 8.0.6 Slab Analysis by the Finite Element Method. (Análisis de Losas por el Método del Elemento Finito). t Espesor de una Sección HSS, in (mm).

tW Espesor del Alma de una Sección, in (mm).

T Fuerza a Tensión de las Barras de Refuerzo de la Viga Compuesta, Kips (Kg). T Período Fundamental de Vibración de la Estructura, Segundo.

V Fuerza de Corte aplicada a un Miembro, Kips (Kg).

V’ Fuerza de Corte Horizontal para la transferencia de Momento Positivo, Kips (Kg). Vn Resistencia Nominal a Corte de la Sección, Kips (Kg).

V0 Cortante Basal, Kg (Kips).

Vs Velocidad Promedio de las Ondas de Corte, m/s. WF Wide Flange (Perfiles I de Acero Estructural).

W0 CM+CVR; Carga Muerta más Carga Viva Reducida, Psf (Kg/m²).

YENA Altura del Eje Neutro Elástico respecto a Y-Y, in (mm).

Z x,y Módulo Plástico de la Sección de Acero sobre los ejes principales , in³ (mm³).

ΣQn Suma de la Resistencia Nominal de los Conectores de Cortante entre el punto de Máximo Momento Positivo y el punto de Momento Cero, Kips (Kg).

∆ Deflexión del miembro, in. λ Parámetro de Esbeltez.

λp Estado Limite de Esbeltez para elementos compactos. λr Estado Limite de Esbeltez para elementos no compactos. ΦB Factor de Reducción por Resistencia a Flexión, 0.90.

ΦB Factor de Reducción para el Soporte por Resistencia, 0.60. ΦC Factor de Reducción por Resistencia a Compresión, 0.85. Φt Factor de Reducción por Resistencia a Tensión, 0.90.

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INDICE DE FIGURAS

GENERALIDADES

Figura 1. Desarrollo histórico de los conectores de cortante. MARCO TEORICO

Figura 1. Tipos de secciones compuestas.

Figura 2. Lamina de acero utilizada en construcción compuesta. Figura 3. Distribución de Esfuerzos plásticos en Vigas Compuestas. Figura 4. Comportamiento Elástico de una Viga Compuesta. Figura 5. Secciones típicas de Vigas Compuestas.

Figura 6. Comportamiento de Vigas Compuestas y no Compuestas. Figura 7. Edificio Compuesto.

Figura 8. Tipos de pernos de cortante.

Figura 9. Condición Columna interna y Viga interna. Figura 10 Modos de Falla en Vigas Compuestas. Figura 11. Falla por Cortante.

Figura 12. Curvas Momento-Deflexión. Figura 13. Sección Losa Compuesta.

Figura 14. Comportamiento de la conexión de cortante.

Figura 15. Requerimientos mínimos para Columnas Compuestas. Figura 16. Anclaje Placa Base.

Figura 17. Conexión de Cortante Viga-Pared de Concreto reforzada.

Figura 18. Anchos Efectivos para cálculo de la resistencia cortante de columnas compuestas embebidas. Figura 19. Conexión Compuesta Parcial.

Figura 20. Placas Rigidizantes del Nodo. DISEÑO METODOLOGICO

Figura 1.Diagrama de Iteración exacto y simplificado. Figura 2.Pernos de Cortante.

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Figura 4.Consideración Momento de Inercia sin ruptura. Figura 5. Ancho efectivo de una losa de concreto.

Figura 6. Distribución de esfuerzos Plásticos de sección compuesta Momento Positivo. Figura 7. Distribución de Esfuerzos Plásticos para flexión positiva.

Figura 8. Capacidad Plástica Eje x-x Flexión. Figura 9. Capacidad Plástica Eje y-y Flexión.

Figura 10. Capacidad Plástica en compresión Eje x-x. Figura 11. Capacidad Plástica en compresión Eje y-y.

Figura 12. Capacidad Plástica a Flexo compresión Eje x-x, Punto C. Figura 13. Capacidad Plástica a Flexo compresión Eje x-x, Punto D. Figura 14. Capacidad Plástica a Flexo compresión Eje y-y, Punto C. Figura 15. Capacidad Plástica a Flexo compresión Eje y-y, Punto D. Figura 16. Capacidad Plástica a Flexo compresión Eje y-y, Punto E. ANALISIS Y DISEÑO

Figura 1.Irregularidades en Planta. Figura 2. Irregularidades Verticales. Figura 3. Periodo Fundamental del Edificio. Figura 4. Diagrama Iteración de Columna.

Figura 5. Distribución de Esfuerzos Plásticos, Flexión Positiva. Figura 6. Localizaciones del Eje Neutro Plástico (PNA) en vigas. Figura 7. Distribución de Esfuerzos Plásticos, Flexión Positiva.

Figura 8. Resistencia Nominal Flexionante en función del la relación ancho/espesor del patín de sección en caliente. COSTO Y PRESUPUESTO

Figura 1.Ejes utilizados en la Elaboración del Presupuesto de Construcción. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Figura 1. Constitución física del Edificio Hospital Monte España. Figura 2. Zona Critica de Pivoteo.

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Capítulo I GENERALIDADES

1.1 RESUMEN

El presente documento tiene como objetivo realizar un Análisis y Revisión del Diseño Estructural de un Sistema Compuesto, tomando en cuenta las solicitaciones de carga basadas en el Reglamento Nacional de la Construcción (RNC-07) para realizar un análisis estructural (Estático y Dinámico Espectral) en el programa ETABS 9.2 y los criterios de diseño del AISC LRFD Capitulo I Diseño de Secciones Compuestas, además de las normas de diseño del Instituto Americano del Concreto (ACI 360-05) tanto para los elementos Compuestos como para los de Concreto Reforzado, incluyendo el sistema de fundaciones y elementos de Acero.

Además de la revisión de los elementos críticos que forman el Sistema se va a realizar el diseño óptimo de los elementos que no sean adecuados ante las solicitaciones de carga aplicadas.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ESTRUCTURAL

El Edificio Monte España está ubicado en Managua, Distrito V extremo sur de la ciudad Capital. El destino del sistema estructural es de Hospital, Grupo A del RNC-07, por lo tanto el grado de seguridad ante solicitaciones de cargas de servicio y fuerzas laterales debe de ser satisfactorio. La forma geométrica del edificio es de una ele (L), donde no se tienen juntas de separación entre los dos bloques.

La Configuración Estructural está constituida por Marcos Compuestos de Concreto Reforzados con Acero Estructural Secciones Wide Flange, además de un refuerzo transversal de barras corrugadas de Acero. El sistema de entrepiso lo conforman láminas troqueladas lisas sin pernos de adherencia de las vigas principales con las láminas troqueladas de entrepiso, posee vigas secundarias cada 0.60 m formadas de cajas armadas de Acero. El sistema de entrepiso se considera diafragma rígido en los primeros tres niveles, el cuarto nivel, Sistema de Techo no se considera diafragma rígido.

Posee Muros de Corte en los Ascensores, en la planta baja en la Zona de los Rayos X y en los Muros de Colindancia. Algunos de estos Muros son continuos en los niveles superiores. En la dirección Y-Y el sistema está arriostrado de forma descontinúa con secciones Wide Flange de Acero A-36.

Las Conexiones de los Marcos de Momento van a ser diseñadas con placa de Acero A-36 unidas con filetes de soldadura Grado FEXX 70 Ksi, debido a que en el levantamiento visual que se elaboro no se pudo determinar el tipo de conexión, además no se determino las dimensiones de las fundaciones en las Columnas y los Muros de Corte por lo tanto también se procederá al diseño de estas. Las cerchas del 2do y 3er Nivel del Anexo se van a ser propuestas.

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D i s e ñ o d e S e c c i o n e s C o m p u e s t a s p o r A I S C L R F D 2

1.2 INTRODUCCION

La vulnerabilidad sísmica del Pacifico y Centro de Nicaragua con experiencias de Terremotos (Managua 1931 y Managua 1972) han dejado una triste experiencia a las poblaciones afectadas y han marcado las tendencias de diseño y construcción de viviendas y edificios sismoresistentes, obligando a tomar conciencia de un diseño estructural y constructivo seguro.

La prevención de desastres forma parte del objetivo de la investigación de especialistas que aportan y colaboran con sus conocimientos para la elaboración de códigos y especificaciones (AISC, ACI, AASHTO). Conocer el comportamiento de los materiales constructivos ha permitido al Ingeniero tomar medidas de control de calidad, de reemplazo de materiales por otros más flexibles, más duraderos; todo para obtener una estructura más resistente y de ello dependerá la resistencia de los materiales que la conforman. El concreto es el material de Construcción Universal, su resistencia a la compresión es similar a la de las piedras naturales, así mismo el concreto es un material relativamente frágil, con una baja resistencia a tensión. Para contrarrestar esta limitación, después del año 1850-18671_{se consideró factible utilizar acero} para reforzar el concreto debido a su alta resistencia a la tensión, a esta combinación resultante se le conoce como concreto reforzado.

Marcos estructurales de acero proporcionan a los diseñadores una amplia selección de sistemas económicos. Los marcos de acero pueden lograr claros más largos y más eficaces que otros tipos de construcción. Otra ventaja de construcción de acero es su habilidad de acomodar posibles modificaciones estructurales, como las aberturas para escaleras y cambios para las cargas de entrepiso más pesadas. Cuando se requiere refuerzo en estructuras de acero, la soldadura de elementos adicionales mediante placas es una buena opción.

El sistema de placas de acero con losa de concreto y pernos de cortante es ampliamente empleado desde la década de los 60” en edificios de comercio. La innovación de los tipos de formas estructurales es un segundo factor importante sobre el cual avances más recientes (en los años 1980) se fundaron: armaduras compuestas y las vigas empernadas son dos ejemplos importantes del sistema que permiten el cumplimiento de exigencias estructurales y el alojamiento fácil de tubos de ventilación y otros servicios2_. Los perfiles estructurales de láminas delgadas logran desarrollar buenas capacidades ante solicitaciones a

1_{J.C.McCormack, Diseño de Concreto Reforzado, Pág. 4.}

(19)

flexión, las cuales pueden ser incrementadas considerablemente a través de la metodología de sección compuesta.

Las vigas de acero y las losas de concreto reforzado se han utilizado durante muchos años, sin tomar en consideración ningún efecto de colaboración entre ambas. Sin embargo en los últimos años se ha demostrado que puede lograrse gran resistencia, uniéndolas de modo que actúen como una sola unidad, lo cual se logra gracias a los conectores de cortante. Las vigas de acero y las losas de concreto, unidas formando un elemento compuesto, en ocasiones pueden llegar a soportar aumentos mayores de 1/3 de la carga que podrían soportar las vigas de acero trabajando por separado.

El principal aspecto a tener en cuenta de los perfiles estructurales formados en frío es la inestabilidad en las zonas de compresión por pandeo lateral o local, se puede afirmar que el empleo de los conectores de cortante para generar la sección compuesta garantiza un adecuado desempeño, ya que el concreto toma los esfuerzos de compresión y el acero los esfuerzos de tensión.

El empleo de conectores de cortante en perfiles estructurales con losas de concreto genera sección compuesta conformando un diafragma rígido que evita la colocación de elementos horizontales estabilizadores. Las principales ventajas3_{de la sección compuesta se describen a} continuación:

9 La sección compuesta en entrepisos hechos con acero y concreto, aprovecha la resistencia del concreto a compresión al tiempo que la totalidad del acero o un alto porcentaje de este a tensión; con lo cual se logra que para las mismas cargas y claros se requieran menores secciones de perfiles estructurales.

9 La sección compuesta genera una mayor rigidez y disminuye las deflexiones con respecto a los elementos individuales.

(20)

D i s e ñ o d e S e c c i o n e s C o m p u e s t a s p o r A I S C L R F D 4 9 Permite tener menores espesores de concreto en placas de entrepisos disminuyendo las cargas

debidas al peso propio y por consiguiente ahorros en costos de estructura, mampostería, cimentación etc.

9 Como resultado del diseño compuesto, el tamaño y peso de las vigas metálicas puede reducirse entre un 15% y 30%.

9 La actuación bastante satisfactoria bajo las condiciones de fuego (todos los miembros y el sistema entero).

9 Construcción Rápida (por ejemplo, pisos de láminas, las columnas tubulares llenas y conexiones de momento).

1.3 ANTECEDENTES

Las civilizaciones más antiguas utilizaban ya la construcción compuesta, considerada en el sentido más amplio. Los asirios, primeros en utilizar materiales de construcción fabricados, hacían ladrillos de lodos reforzados con paja, que fueron probablemente los primeros miembros compuestos. Más tarde, los griegos y los romanos combinaron dos materiales en muros revestidos, aprovechando las mejores propiedades de cada uno.

El Método Constructivo Compuesto (Perfiles de Acero y Concreto) en Nicaragua no cuenta con antecedentes, es por tanto la importancia de innovación que caracteriza este documento. Sin embargo el País ha venido intentando dar respuestas en cuanto a resistencia y calidad en las edificaciones retomando sistemas ya comprobados en Países Industrializados, por ejemplo en Estados Unidos su implementación en Puentes y Edificios data desde 1894.

1. El Puente Piedras Rápidas 4_{(The Rock Rapids Bridge) en Piedras Rápidas (Rock Rapids), Iowa,} construido de vigas I arqueadas de acero embebidas en concreto.

2. El Edificio Metodista en Pittsburgh tenía hormigón encajonado en las vigas de piso.

A mediados del siglo XIX se empezó a usar el concepto, especialmente en Gran Bretaña, para proteger contra el fuego los miembros estructurales de hierro. Esas vigas de hierro recubiertas con concreto fueron los primeros miembros compuestos reales.

Una de los requisitos más importantes de la sección compuesta es impedir el deslizamiento entre el concreto y el perfil estructural, mediante el empleo de conectores de cortante debidamente soldados o anclados al elemento estructural, los cuales han sido desarrollados desde el mismo principio del siglo, como mostrado por el sistema de dispositivos de cortante patentado por Julius Kahn en 1903 (Fig.1).

(21)

Figura. 1. Desarrollo Histórico de los Conectores de Cortante. (a) Sistemas de ranuras de

cortante (Julius Kahn 1903). (b) Conectores de espiral. (c) Canales. (d) Pernos Soldados

En la actualidad los ingenieros piensan que la construcción hibrida, o sea el empleo de aceros de varias resistencias en distintas partes de la estructura, es algo que se ha desarrollado últimamente. Sin embargo, esta idea, que es también una forma de construcción compuesta, data de hace más de un siglo. Se atribuye a Squire Whipple, que fue también el primero en analizar correctamente una armadura articulada completa, la construcción, en 1840, de una armadura en arco en la que utilizo una combinación de hierro colado para miembros en compresión y hierro forjado para los de tensión.

El interés significante levantado por esto de “el nuevo material” incitó varios estudios, ambos en Europa y América del Norte, en los miembros compuestos (las columnas y vigas) y los dispositivos de conexión. El nivel creciente de conocimiento habilitó el desarrollo de Códigos de Provisiones que fueron entonces los primeros en aparecer para los edificios (la Ciudad de Nueva York que Desarrolla un Código en 1930) y como consecuencia para los puentes (las especificaciones de la AASHO en 1944).

En los últimos 50 años proyectos de investigación extensos han hecho posible un mejor entendimiento de los fenómenos complejos asociados con la acción compuesta, los códigos evolucionaron significativamente hacia la aceptación de métodos del diseño más refinados y eficaces, y la tecnología constructiva progresó a un paso rápido. Sin embargo, estos desarrollos pueden ser considerados una consecuencia del incremento de la popularidad de la construcción compuesta.

En los últimos años, Nicaragua ha sido objeto de inversión gracias al turismo y la ciudad capital ahora cuenta con edificios renovados, modernos e innovadores. Particularmente las aplicaciones Compuestas se observan en el Edificio Bancario Casa Pellas, El Centro Comercial Galería Santo Domingo, El Hospital Monte España, Otros.

(22)

1.4 JUSTIFICACIÓN

El presente tema monográfico presenta gran importancia por su novedosa constitución estructural que como se ha mencionado anteriormente no se habían implementado en el país.

Se eligió al Edificio del Hospital Monte España como el modelo a analizar en esta monografía por ser una estructura perteneciente al Grupo A, ubicada en la Ciudad Capital en la zona de Villa Fontana. Dicho edificio forma parte de un complejo de atención al público por lo que se necesita un alto grado de seguridad y funcionalidad, la cual es brindada por su Sistema Estructural de Secciones Compuestas.

Las características que posee este Hospital deben de tratarse con mucho cuidado, debido a las solicitaciones de carga, tamaño del edificio, irregularidad y vulnerabilidad sísmica de la zona donde se encuentra, ya que Managua se encuentra dentro de la Depresión Nicaragüense, exactamente dentro de la denominada cuenca “Intra-arco”, que correspondería al graben de Managua, limitado por las fallas de Mateare y Cofradías y afectado por una serie de fallas transversales activas con dirección preferencial NE(algunas son Tiscapa, San Judas, Bancos, Aeropuerto, etc.), para atender esta problemática es necesario conocer algunas causas de la ocurrencia de los terremotos asociados a fallamiento superficial activo y vulcanismo que son dos fenómenos geológicos más importantes y productores de pérdidas de vidas humanas y materiales. Es un hecho comprobado que la principal fuente generadora de sismos es la zona de Benioff (Placas Tectónicas del Coco y Caribe) que presenta el fenómeno de Subducción.

Los temblores producidos tienen influencia por los efectos de ruptura y propagación de ondas sísmicas sobre estructuras mayores (Falla Centroamérica, Tiscapa, Estadio, etc.) capaces de ocasionar daños a las edificaciones. Las estructuras geológicas más importantes que podrían afectar la presente área de investigación son:

a) Falla Centroamérica Oeste: Causante del Terremoto ocurrido el 4 de Enero de 1968, conocido como el Terremoto de la Centroamérica, indico que esta zona es susceptible a ser afectadas por terremotos debido a fallas superficiales. El Hospital se encuentra a 900 m al este de la Falla Centroamericana Oeste y 1,200 m de la Falla Centroamericana Este.

b) Falla Zogaib-Escuela: El sitio en estudio se encuentra a 900 m al este de esta falla. c) Fallas y Lineamientos Menores.

El enfoque de este trabajo monográfico es la Revisión del diseño de las secciones compuestas, ante las solicitaciones de carga mas critica, para lo cual se analizará con el Método Estático Equivalente para

(23)

determinar la magnitud de las fuerzas laterales y un Análisis Dinámico Espectral, lo que es hoy en día, el método más completo para determinar el comportamiento de una estructura ante las acciones de un sismo. Debido a que la estructura no es regular respecto a los dos ejes ortogonales y no existen juntas de separación en el Edificio se hace necesario determinar el grado de seguridad que tendrá ante un caso de fuerza sísmica severa.

Otro aspecto de gran importancia, es que permitirá consolidar conocimientos adquiridos en el área estructural, ampliarlos y hacer un aporte, ya que el tema no forma parte del pensum académico actual. Este desarrollo monográfico permitirá que más estudiantes de ingeniería civil puedan comprender y consultar información acerca de secciones compuestas de acero y concreto.

(24)

1.5 OBJETIVOS

1.5.1 Objetivo General

• Revisar el Diseño Estructural del Edificio Hospital Monte España, constituido por elementos de sección compuesta de Acero y Concreto.

1.5.2 Objetivos Específicos

• Modelar la Estructura en el Programa ETABS en su versión 9.2. Comprendiendo Marcos Estructurales, Sistema de Entrepiso, Muros de Corte, Mampostería, Sistema de Techo.

• Realizar Análisis Estático y Dinámico a la Estructura, utilizando el software Etabs.

• Realizar el Diseño de los elementos estructurales principales, secundarios, uniones o

conexiones manual.

• Realizar el Diseño de Fundaciones de la Estructura manual.

(25)

(26)

Capítulo II MARCO TEORICO

2.1 FUNDAMENTOS DE ANALISIS.

Los miembros compuestos son miembros estructurales hechos de dos o más materiales. La mayoría de secciones compuestas usadas en las construcciones son hechas de acero y concreto. El Acero proporciona la fuerza y el concreto proporciona la rigidez. La combinación de los dos materiales resulta en un miembro eficiente en lo referente al soporte de carga. Un miembro compuesto puede ser de concreto encajonado ó lleno de concreto. Para miembros con concreto encajonado (Fig. 1(a)), el concreto es vaciado alrededor de la sección de acero. Agregando resistencia y rigidez a la sección de acero, el concreto actúa como una protección al fuego de la sección de acero. También sirve como una barrera de corrosión que escuda el acero de corroerse bajo las condiciones medioambientales adversas

Para los miembros llenos de concreto lleno (Fig. 1(b)), los tubos de acero estructural están llenos de concreto. En los dos concreto-encajonado y secciones llenas de concreto, la rigidez, del concreto a menudo elimina el problema de pandeo local que experimentan los miembros esbeltos de las secciones de acero. Algunas desventajas asociadas con las secciones compuestas son que el concreto se desliza y se encoge. Además, las incertidumbres con respecto a la atadura mecánica (adhesión) desarrollada entre la sección de acero y concreto complica a menudo el diseño de juntas de la viga-columna.

El tratamiento de la construcción compuesta representa uno de los cambios más importantes respecto de las primeras especificaciones ASD5_{. Este cambio es un reflejo de un cambio básico en la filosofía en donde} ASD no requiere una distribución de tensiones elásticas, por lo que se hace necesaria la aplicación del Método LRFD6_{, que considera la resistencia plástica del elemento. Al igual que en las otras disposiciones,} se establece una resistencia nominal de los elementos a la cual se aplica un factor de reducción para obtener las resistencias de diseño del LRFD.

5_{Método Esfuerzos Permisibles (Allowable Stress Design).}

6_{Método de Cargas y Resistencias Factoradas (Load and Resistance Factor Design Specification).}

Figura. 1 (a) Sección Compuesta Embebida en Concreto. (b) Secciones Compuestas Rellenadas

(27)

La construcción de vigas compuestas7_{posee varias ventajas respecto a la construcción no compuesta:} a) Reducciones en los pesos de acero que son comúnmente del 30 al 50%.

b) La mayor rigidez del sistema significa que las vigas puedan ser menores para los mismos claros, logrando alturas menores en los pisos y economías en el revestimiento.

c) Es de construcción rápida.

La desventaja principal es la necesidad de proporcionar los conectores de cortante en la interface entre el acero y concreto. Puede haber también un aumento claro en la complejidad de diseño. Sin embargo, tablas de diseño pueden ser una ayuda para la selección del tamaño de los miembros proporcionadas por el LRFD.

Para determinar la resistencia en los elementos y conexiones de estructuras que incluyen Elementos Compuestos, se encuentran dos métodos según el código ANSI-AISC 360-05:

• Método Distribución de Esfuerzo Plástico8_{y el} • Método de Compatibilidad de Tensiones9_(ASD).

El diseño, propiedades del concreto y refuerzo de acero en las construcciones compuestas deberán cumplir con las provisiones ACI-318.

Para el método de distribución de esfuerzos plásticos, el esfuerzo nominal deberá asumirse que los componentes de acero habrán alcanzado un esfuerzo Fy, en ambos casos tensión y compresión; y los componentes de concreto habrán alcanzado un esfuerzo de 0.85 f’c. Para tubos rellenados con concreto, el esfuerzo está permitido de 0.95 f’c, para el uso de componentes de concreto en compresión uniforme y así satisfacer los efectos del confinamiento del concreto.

Para el Método compatibilidad de Tensión, una distribución lineal de esfuerzos para la sección deberá ser asumida, con un máximo esfuerzo a compresión del concreto igual a 0.003 pulg/pulg (mm/mm). La relación de esfuerzo-tensión para el acero-concreto deberá obtenerse por medio de pruebas o por resultados publicados de materiales similares.

El método Compatibilidad de Tensiones deberá ser usado para determinar la resistencia nominal en secciones irregulares y para casos donde el acero no posee un comportamiento elástico-plástico.

7_{Ventajas de las Vigas Compuestas, Steel Designers Manual 5th Edition, Pág, 594.}

8_{Distribución de Esfuerzos Plásticos, Specification for Structural Steel Buildings (LRFD) 2005, Pág, 135.} 9_{Compatibilidad de Tensiones, Specification for Structural Steel Buildings (LRFD) 2005, Pág. 136.}

(28)

D i s e ñ o d e S e c c i o n e s C o m p u e s t a s p o r A I S C L R F D 11 Los tipos más comunes de sistemas de entrepisos usados con la construcción de acero estructural es la losa de concreto llena en lámina de acero, losas de concreto prefabricadas, y losas de concretos llenadas in situ.

El tipo más prevaleciente de entrepiso metálico usado con los marcos de acero es la losa de concreto llenada sobre lámina metálica. La lamina metálica o troquel consiste en perfiles formados en frio hechos de una hoja metálica, normalmente teniendo una resistencia de fluencia de por lo menos 33 ksi. Los requisitos de diseño para la lámina están contenidos las Especificaciones de Diseño de Miembros Formados en Frio del Instituto de Acero y Hierro Americano10_.

La losa de concreto normalmente se especifica para tener una resistencia de compresión a 28 días por lo menos de 3000 psi. Se contienen requisitos para el diseño de concreto en el Instituto de Concreto americano ACI 318 normal.

Los espesores de la hoja de metal normalmente se encuentran en el rango de 24 y 18 ga, aunque espesores fuera de este rango a veces se usan. Láminas de acero está normalmente disponibles en peraltes de 1½, 2, y 3”. Generalmente, es preferible usar una lámina con peralte profundo que puede tener claros con mayores distancias entre los apoyos y por ello reducir el número de vigas requeridas.

Para las aplicaciones especiales, la lamina de acero está disponible con las profundidades de 4 1/2, 6, y 7 1/2 in de algunos fabricantes.

10_{SDI (Steel Deck Institute)}

(29)

La losa de concreto sobre la lámina troquel sirve como un diafragma relativamente rígido que transfiere las cargas laterales, como el viento y las fuerzas sísmicas, a cada nivel del suelo a través del plano de cortante a los elementos resistentes a cargas laterales de la estructura, como las paredes de cortante y los marcos arriostrados. Las fuerzas de cortante resultantes normalmente pueden acomodarse por la fuerza combinada de la losa de concreto y la lámina de acero, sin la necesidad de refuerzo adicional. La adhesión de la lámina metálica al marco de acero, así como la unión entre las láminas mismas, deben ser suficientes para transferir el cortante resultante.

2.2 MÉTODOS DE DISEÑO

2.2.1 Método Distribución de Esfuerzos Plásticos.11 Las siguientes consideraciones serán tomadas en este Método:

• Existe iteración total entre los miembros de acero, el refuerzo longitudinal y transversal y el concreto. Tanto para momento positivo y negativo.

• El área efectiva de refuerzo en tensión y compresión se diseñara para el esfuerzo plástico resistente. El refuerzo en compresión en una losa de concreto puede ser despreciada.

• El área neta del concreto resistente en compresión será de 0.85f’c, por encima de la profundidad entre el eje Neutro Plástico y la fibra más alejada en compresión del concreto. Donde f’c es la resistencia de diseño en compresión del cilindro de concreto.

• Si la losa en momento negativo se conecta a la viga de acero con los conectores de cortante, un esfuerzo de tensión se asumirá de Fyr en un desarrollo del refuerzo longitudinal adecuado dentro del ancho efectivo de la losa de concreto. La resistencia a tensión del concreto será despreciada. Un esfuerzo de tensión uniformemente distribuido de acero Fy se asumirá a lo largo de la zona de tensión y a lo largo de la zona de compresión en la sección estructural de acero. La fuerza neta de compresión en la sección será igual a la fuerza total de tensión en el refuerzo longitudinal más la zona en tensión del alma de la sección de acero.

• Para edificios con láminas de acero troqueladas podrá incluirse la contribución del concreto en sus canaletas cuando la lámina es paralelo a la viga.

(30)

D i s e ñ o d e S e c c i o n e s C o m p u e s t a s p o r A I S C L R F D 13 Para el diseño compuesto existen tres localizaciones posibles del eje neutro12_{plástico. La localización} depende de la relación de la compresión del concreto y la resistencia plástica del alma: Pyw = AwFy

,

y la compresión en el patín. Las tres localizaciones son:

1.1 El eje neutro plástico este localizado en el alma de la sección de acero. Esto ocurre cuando la fuerza de compresión en el concreto es menor que la fuerza del alma Cc ≤ Pyw.

2.1

El eje neutro este localizado dentro del espesor del patín superior de la sección de acero. Este caso ocurre cuando la fuerza a compresión del concreto es mayor que la fuerza en el alma pero menor que la resistencia de la sección de acero: Ct = AsFy; Pyw

<C

c

<C

t

.

3.1 El eje neutro este localizado en la losa de concreto. Este caso ocurre cuando la resistencia del concreto es mayor que la resistencia en compresión de la sección de acero, Cc≥Ct, despreciando la resistencia a tensión del concreto por debajo del eje neutro plástico.

El comité AISC restringe13_{el número de pernos a lo largo de la viga a 36pulg ≤ 8t, donde t es la profundidad} de la losa de concreto. El perno deberá tener una altura no menor de 1 ½” con un recubrimiento mínimo en su parte superior no menor a ½” de concreto. Cuando el peralte de la lámina es perpendicular al eje de la viga el número de filas de pernos dependerá del ancho del patín de la viga.

12_{Eje Neutro Plástico, Structural Steel Designer’s Handbook (Brockenbrough & Merritt), Pág 7.19.}

13_{Restricción del número de Pernos, Structural Steel Designer’s Handbook (Brockenbrough & Merritt), Pág 7.19}

Figura 3.Distribución de Esfuerzos Plásticos para una viga compuesta con losa sólida y conexión total de cortante

en Flexión Positiva y Negativa.

AsFy ArFyr AsFy 0.85f’cAc

(31)

El espaciamiento mínimo de los pernos es de 6 veces el diámetro a lo largo de la longitud de la viga (4 ½ pulg. por diámetro de ¾“) y 4 veces su diámetro a lo largo de la sección transversal (3 pulg por diámetro de¾“)

En regiones de Flexión Positiva la conexión parcial de cortante puede ser empleada en una viga compuesta de un edificio. La conexión parcial no podrá emplearse en zonas de flexión negativa ya que estas deberán ser provistas de una apropiada conexión de cortante para asegurar que el refuerzo longitudinal de la losa llegue al punto de fluencia.

2.2.2 Método Compatibilidad de Tensiones (Distribución de Esfuerzos Elásticos)14

Cuando la determinación de esfuerzos elásticos sea requerida, las deformaciones en el concreto y el acero serán asumidas directamente proporcionales a la distancia del eje neutro. El esfuerzo será igual a las veces de deformación del modulo de elasticidad del acero, E, o módulo de elasticidad para el concreto, Ec. La resistencia de tensión del concreto se despreciara. El esfuerzo máximo en el acero no excederá Fy. El esfuerzo máximo en compresión del concreto no excederá 0.85f’c dónde el f’c es la resistencia en compresión del concreto. En vigas hibridas compuestas, la tensión máxima en el patín de acero no excederá Fyf pero la tensión en el alma puede exceder el esfuerzo elástico; el esfuerzo se tomará como Fyw en cada situación.

El análisis elástico es empleado para establecer el rendimiento de las vigas compuestas viendo la resistencia de las vigas sujetas a efectos de inestabilidad como en vigas continuas o en vigas donde la ductilidad de los conectores de cortante es inadecuada.

Las propiedades importantes de la sección son el módulo de sección y el segundo momento de área (inercia). El primero es necesario para determinar el centroide (eje neutro elástico) de la sección transformada expresada por el área de concreto en la sección de acero dividida entre el área de concreto en el ancho efectivo de la losa Be, a través de una apropiada relación modular (relación del modulo elástico del acero al concreto).

En la construcción sin apuntamiento, los esfuerzos inducidos deben ser tomados en la sección no compuesta así como los esfuerzos en la sección compuesta. En el análisis elástico por consiguiente, el orden de las cargas es importante. Para la condición elástica, se mantienen los esfuerzos de la fibra extrema por debajo de los valores de diseño y el deslizamiento en la interfaz entre el concreto y el acero será despreciable.

(32)

D i s e ñ o d e S e c c i o n e s C o m p u e s t a s p o r A I S C L R F D 15 Las propiedades de la sección elástica son evaluadas de la sección transformada como en la Fig. 4. El término es la relación modular. El área de concreto dentro de la lamina es ignorada (esto es conservativo donde la lamina esta paralela a la viga). El concreto puede ser usualmente asumido a no fallar bajo momento positivo.

La profundidad del eje neutro elástico , bajo el borde superior de la losa es determinado de la fórmula:

2 2

1 Donde:

Altura del perfil. Profundidad de la losa.

2.2.3 Modal Espectral

El análisis dinámico es aplicado a estructuras que por su destino son de gran importancia como Hospitales, Estación de Bomberos, Teatros, Estadios o que su altura supere los 40 mts. En el análisis dinámico deberá ser revisado que las fuerzas de corte por nivel no deben ser menores que el 60% de las fuerzas resultantes por el Método Estático Equivalente.

El análisis de la respuesta de construcciones sometidas a las acciones de impactos en general y de sismos en particular requiere una evaluación de su comportamiento dinámico. La cuestión es por demás compleja en los casos reales. Debido a la realidad de la construcción misma, que pocas veces admite la representación con modelos teóricos, sencillos para que el análisis sea posible con los medios disponibles. Por otro lado se tiene la complejidad de la excitación que en el caso de impactos o de sismos es de

Figura 4.Comportamiento elástico de la viga compuesta. (a) Distribución de esfuerzos elásticos. (b) Sección Transformada.

D

p

D

s

B

e

/α

e

x

e

Equivalente al área de acero Eje Neutro

Elástico

D

(33)

características caóticas, en lo que se refiere a la intensidad máxima y que tampoco admite esquematizaciones teóricas sencillas.

Desde el punto de vista matemático el movimiento de un vibrador complejo se puede representar por superposición de los movimientos de los vibradores que representan los distintos modos naturales de vibración. Una ventaja importantísima del método es que generalmente un número relativamente pequeño de modos (normalmente los primeros) tiene influencia significativa en la respuesta de la estructura y esto permite simplificar el análisis.

En consecuencia es necesario evaluar la respuesta para cada modo y luego superponer la influencia de los distintos modos. Esto es relativamente fácil cuando las excitaciones son sencillas, en particular una excitación periódica; porque la respuesta se puede expresar en forma cerrada.

Sin embargo la aplicación más común del método es la obtención de valores de la respuesta estructural elegida (es decir los valores máximos de las variables que supuestamente representan el comportamiento de la construcción) por superposición de respuestas espectrales.

La limitación conceptual más importante del método es que sólo puede aplicarse a estructuras linealmente elásticas. En consecuencia se deberían obtener respuestas elásticas apropiadas para el análisis estructural. A partir de estas respuestas se podría estudiar el mecanismo de colapso probable y verificar su racionabilidad o modificar el diseño. Luego se podría asignar un valor a la ductilidad de la estructura y, en función de ese valor, reducir las solicitaciones para el dimensionado definitivo. Ingenieros, sin embargo, deben entender claramente que el método de espectro de respuesta es un método aproximado de valores máximos de desplazamientos y las fuerzas y que tiene limitaciones significantes. Se restringe al análisis elástico lineal en que las propiedades de amortiguamiento sólo pueden estimarse con un grado bajo de la confianza. El uso de espectros inelásticos que normalmente se usan tiene muy pequeña base teórica y no debe usarse para análisis complejo de estructuras tridimensionales.

En resumen los principios que se deben tomar en cuenta en un análisis dinámico son: 9 El sistema está constituido por características elásticas.

9 Se consideran infinitas las rigideces de las losas o sistemas de entrepiso en relación a la rigidez de las columnas, considerando en las uniones de viga-columna solo posee desplazamiento lateral, sin rotación.

(34)

D i s e ñ o d e S e c c i o n e s C o m p u e s t a s p o r A I S C L R F D 17 9 Los elementos estructurales verticales, participan en la resistencia a las fuerzas externas aplicadas

al sistema en proporción directa a su rigidez.

9 Se concentraran todos los pesos de las columnas y paredes a nivel de entrepiso.

9 Los modos principales constituyen un conjunto completo, lo que significa que cualquier configuración de desplazamientos puede ser expresada como una convicción lineal de los modos de vibración.

2.3 ELEMENTOS PRINCIPALES

2.3.1 Vigas Compuestas

En los edificios y vigas de acero de puentes a menudo deben soportar losas de concreto. Bajo las cargas de servicio cada componente actúa independientemente con movimiento relativo o deslizamiento que ocurren en su adherencia. Si los componentes se conectan entonces el deslizamiento es eliminado, o considerablemente reducido (Fig.6), entonces la losa y la viga de acero actúan juntos como un compuesto, una unidad (Fig. 5). Hay un aumento consecuente en la fuerza y rigidez de la viga compuesta a la suma de los componentes.

Un el edificio típico en obras se muestra en Fig.7. Secciones soldadas prefabricadas son usadas a menudo para las vigas de claros-largos en los edificios y puentes.

(35)

Figura 7. Edificio Compuesto

El Método normal de diseño por esfuerzo admisible de vigas simplemente apoyadas es el análisis plástico de la sección transversal. Conexión completa de pernos de cortante garantiza que la sección desarrollará completamente su capacidad plástica. Vigas diseñadas con conexión completa de pernos resulta en vigas de tamaño más ligero. Donde menos conectores de cortante se proporcionan (conocido como la conexión de cortante parcial) el tamaño de la viga es más pesado, pero el diseño global puede ser más económico. La conexión de cortante parcial es muy atractiva donde el número de conectores se pone en un modelo normal; como uno por cresta o alternado, dónde se use la lamina troquel. En cada caso, la resistencia de los conectores de cortante es una cantidad fija independiente del tamaño de la viga o losa.

El diseño elástico convencional de la sección produce las vigas más pesadas que con el diseño plástico porque no es posible desarrollar la capacidad a tensión completa del acero de la sección. Diseños basados en los principios elásticos serán usados donde los elementos axiales de la sección son no-compactos o esbeltos. Esto afecta el diseño de vigas continuas principalmente.

2.3.1.1 Guía en las proporciones del claro-peralte15

Las vigas frecuentemente se diseñan para no ser apuntaladas durante la construcción. Por consiguiente la viga de acero deberá ser capaz de soportar el peso propio de la losa antes que el concreto ha ganado la

15_{Relación en la proporción Claro/Peralte, Steel Designers Manual, Pág. 595.}

Figura. 6 Comportamiento de Vigas Compuestas y No Compuestas.

Viga no Compuesta Viga Compuesta Deslizamiento

Fuerza en los Conectores de Cortante

Losa de Concreto

(36)

Figura 8. Un perno de acero y carbón, las cabezas están marcadas para identificar el

manufacturador o distribuidor. (a) Con cabeza hexagonal. (b)Con cabeza cuadrada. (c) Con cabeza radial.

fuerza adecuada para la acción compuesta. Las vigas se asumen con restricción lateral continua por la lámina (Deck) en casos donde la sección de lámina y la viga se encuentran unidas directamente. Estas vigas pueden desarrollar la capacidad de flexión total.

Donde vigas simplemente apoyadas se encuentran apuntaladas se clasifican según tamaño en base a su capacidad plástica que normalmente se encuentra que las proporciones del claro--peralte pueden ser en el rango de 18 a 22 antes de la influencia de criterio de diseño por servicio. El peralte en estos casos se define como el peralte global de la viga y losa. Acero con grado 50 es a menudo especificado en preferencia al grado 43 en el diseño de la viga compuesto porque la rigidez de una viga compuesta es a menudo tres a cuatro veces que una no compuesta emita, mientras justificando el uso de superior tensiones del funcionamiento.

Las proporciones de claro-peralte de vigas compuestas continuas normalmente son en el rango de 22 a 25 para los claros externos y 25 a 30 para los claros interiores antes de la influencia del criterio de servicio. Muchos puentes continuos son diseñados para satisfacer el estado límite de servicio.

2.3.1.2 Tipos de conexiones de cortante16

Los conectores de cortante modernos son los pernos cabeza soldado que va de 13-25 mm de diámetro y de 65-125 mm de la altura. El tamaño más popular es 19 mm de diámetro y 100 mm de altura. Cuando es usado con láminas troquel, los pernos son a menudo soldados a través del uso de taladros conectados a un generador de poder. Cada perno toma sólo unos segundos en ser soldados en el sitio. Alternativamente, los pernos pueden soldarse directamente a las vigas de acero y la lamina en la fábrica o con hendiduras encima de los pernos.

Hay algunas limitaciones para las soldaduras: la lámina del patín superior de la viga no debe pintarse, el acero galvanizado debe ser al menos de 1.25 mm espesor y la lámina debe estar limpia y libre de humedad.

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Donde la losa de concreto prefabricado es empleada, las posiciones de los conectores de cortante, es normalmente tal que ellos proyectan los agujeros en la losa que después es llenada con concreto. Alternativamente, un hueco es dejado entre el final de las planchetas prefabricadas que se sientan sobre el patín superior de la viga en el que los conectores de cortante son fijados. El refuerzo (normalmente en forma de barras dobladas) se proporciona alrededor de los conectores de cortante.

Hay un rango de formas de conectores de cortantes soldados, pero no todos se adecuan a las aplicaciones prácticas. Barras y canales se ha usado en la construcción de puentes como conectores de cortante soldados. Pernos colocados por pistolas son comercializados para su uso en proyectos de edificios más pequeños dónde el suministro eléctrico del sitio podría ser un problema. Todos los conectores de cortante deben ser capaces de resistir las fuerzas de levantamiento; del uso de encabezado en lugar de los montantes llanos.

2.3.1.3 Condiciones de Claro17

En edificios, las vigas compuestas se diseñan normalmente para ser simplemente apoyadas, principalmente para simplificar el proceso del diseño, para reducir la complejidad de conexión viga-columna, y para minimizar la cantidad de refuerzo de la losa y conectores de cortante que se necesitan para desarrollar la continuidad en el estado límite ultimo.

Hay maneras en que la continuidad puede introducirse prontamente, con el objetivo de mejorar la rigidez de vigas compuestas. La Fig.9 muestra cómo el detalle de una conexión típica en una columna interna puede ser modificado para desarrollar la continuidad. El sistema de vigas con pernos también utiliza continuidad de los miembros secundarios (vea Fig. 9).

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D i s e ñ o d e S e c c i o n e s C o m p u e s t a s p o r A I S C L R F D 21 Vigas compuestas continuas pueden ser más económicas que las vigas simplemente apoyadas dónde el análisis plástico del miembro continuo considera articulaciones plásticas. Sin embargo, dónde el patín inferior o alma de la viga son no compactos o esbeltos en la región de momento negativo, entonces el diseño elástico debe ser empleado, ambos por lo que se refiere a la distribución de momento a lo largo de la viga y también para el análisis de la sección. La inestabilidad lateral del patín inferior es una importante condición de diseño, aunque la restricción torsional es desarrollada por el alma de la sección y la losa de concreto.

En los puentes, la continuidad es a menudo deseable por las razones de servicio, reduce las deflexiones, y minimiza fisuras de la losa de concreto y desgastes en la superficie de la calzada del puente.

2.3.1.4 Modos de Falla18

Los análisis de diseño pueden enfocarse en pocos fenómenos críticos y los estados del límite asociados. Para el modelo de la carga uniforme usual, se indican los modos de falla típicas esquemáticamente en Fig.

10: el modo I es por fatiga debido al momento último de resistencia en la sección transversal en el centro

del claro. El modo II es por falla por cortante en los apoyos, y el modo III es por falla de la resistencia máxima de los conectores de cortante entre acero y el concreto próximo a los apoyos. Un diseño cuidadoso de los detalles estructurales es necesario para evitar las fallas locales (Modo IV y V) como el fallo del cortante longitudinal de la losa a lo largo de los planos mostrados en la Fig. 11., dónde el colapso bajo el cortante longitudinal hace que no involucre los conectores, o la falla en la franja de concreto por deslizamiento debido a las fuerzas transversales de tensión. Durante la construcción el miembro puede

18_{Modos de Fallas de las Vigas Compuestas, Structural Engineearing Handbook, Capitulo 6.3.1, Pág. 12.}

Figura 9. Representación de condiciones en una columna interna y viga interna.

Refuerzo

Mn desarrollado por conectores de cortante en esta zona Diagrama de momento flexionante

Longitud de anclaje Rigidizantes compresivos Pernos o Varillas de anclaje Malla