Análisis y diseño estructural de un edificio utilizando disipadores de energía de fluido viscoso

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(1)Universidad Católica de Santa María Facultad de Arquitectura e Ingenierías Civil y de Ambiente Escuela Profesional de Ingeniería Civil. “ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE UN EDIFICIO UTILIZANDO DISIPADORES DE ENERGIA DE FLUIDO VISCOSO”. Tesis presentada por el bachiller: Valdez Ramos, Carlos Ivan Para optar el Título Profesional de Ingeniero Civil. Asesor: MSc. Rosas Espinoza, Jorge. Arequipa-Perú 2019.

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(3) DEDICATORIA. Dedicado a Dios por guiarme y permitirme por medio de la providencia concluir con mi objetivo. A mis padres por su apoyo, amor y confianza me permitieron culminar mi carrera profesional. A mis hermanos Claudita y Arturo y a los cachorros, por estar conmigo en todo momento. A los futuros tesistas y/o investigadores que enriquezcan con temas innovadores a nuestra carrera de ingeniería civil. Y a mi inspiración que me mostró el camino del idealismo y me permitió renovarme.. Carlos Ivan Valdez Ramos.

(4) AGRADECIMIENTOS. A los profesionales que dedicaron tiempo en investigar y brindar teorías para el diseño estructural, por medio de sus libros y publicaciones, me permitió tomar de base e impulso para forjarme como profesional. Al MSc. Jorge Rosas Espinoza por asesorar y revisar la presente tesis. A los docentes que me enseñaron esta carrera profesional. A mis compañeros y maestros filósofos que han compartido sus experiencias y enseñanzas para poder forjarnos como mejores personas. Y a mi maestro que por medio de sus enseñanzas sigue guiándome, permitiéndome poder cumplir con el ideal que me inspira a seguir adelante mediante la lealtad y el honor.. Carlos Ivan Valdez Ramos.

(5) RESUMEN. El presente proyecto consiste en un edificio de catorce niveles, un semisótano y un sótano de uso multifamiliar, el cual, será proyectado sobre un terreno de 830 m2. Este edificio se ubicará en la Urb. Luis Ibarcena, frente al condominio Valle Blanco ubicado en el distrito de Cerro Colorado. La repartición de espacios será: El semisótano y el sótano serán destinados para el uso de estacionamiento, los demás niveles serán para uso de departamentos, por lo que existirá dos ascensores. Los departamentos serán de distribución típica, además la caja de ascensor se ubicará en el centro de cada piso. Los elementos estructurales serán elementos de concreto armado, tales como vigas, columnas, muros de corte; en ambas direcciones, obteniendo un sistema dual tipo I. Las losas serán aligeradas unidireccionales y losas macizas bidireccionales. Este sistema estructural deberá cumplir con la deriva máxima admitida por la norma vigente E030 Diseño Sismorresistente. Se adicionará al edificio un sistema de protección sísmica basado en la norma americana FEMA 274, para que tenga un comportamiento no lineal elástico frente a una solicitación de un análisis tiempo historia no lineal con disipadores de energía obteniendo derivas máximas de 0.0036, logrando de esta manera reducir el costo de reparaciones estructurales después de un evento sísmico severo, logrando así impulsar el uso de nuevas tecnologías para la construcción de edificios esbeltos en la ciudad de Arequipa. Este sistema de protección sísmica de disipadores de energía de fluido viscoso está compuesto de una barra de pistón, el cual será de alta aleación pulido y el cilindro que contendrá el fluido viscoso. A su vez, el fluido será un líquido de silicona que es un material inerte por lo que no es toxico y altamente resistente al fuego. También estará el sello, cabeza de pistón y acumulador. Los brazos metálicos con perfil Round HSS serán anclados a los pórticos unidos por una viga de acero en disposición Chevron Brace mejorado. Para el modelamiento y análisis del edificio proyectado se utilizará el programa Etabs, para el análisis de la cimentación; Safe. Para el diseño de los elementos estructurales se basará en el método de resistencia ultima que se encuentra especificada en la norma E060 de Concreto Armado. Finalmente se calculará el costo final a casco gris del edificio..

(6) Palabras clave: Estructuración, análisis estructural, diseño estructural, análisis tiempo historia no lineal, disipadores de energía, costo..

(7) ABSTRACT The present project consists of a building of fourteen levels, a basement and a basement for multi-family use, which will be projected on a plot of 830 m2. This building will be located in the Urb. Luis Ibarcena, in front of the Valle Blanco condominium located in the district of Cerro Colorado. The distribution of spaces will be: The basement and basement will be destined for the use of parking, the other levels will be for the use of apartments, so there will be two elevators. The departments will be of typical distribution, in addition the elevator box will be located in the center of each floor. The structural elements will be reinforced concrete elements, such as beams, columns, cutting walls; in both directions, obtaining a dual type I system. The slabs will be lightened unidirectional and solid slabs bidirectional. This structural system must comply with the maximum drift admitted by the current E030 Seismic-resistant Design standard. A seismic protection system based on the American FEMA 274 standard will be added to the building, so that it has an elastic nonlinear behavior against a request for a nonlinear history time analysis with energy dissipators obtaining maximum drifts of 0.0036, thus achieving reduce the cost of structural repairs after a severe seismic event, thus promoting the use of new technologies for the construction of slender buildings in the city of Arequipa. This seismic protection system of viscous fluid energy dissipators is composed of a piston rod, which will be high polished alloy and the cylinder that will contain the viscous fluid. In turn, the fluid will be a silicone liquid that is an inert material so it is not toxic and highly resistant to fire. There will also be the seal, piston head and accumulator. The metal arms with Round HSS profile will be anchored to the porches joined by a steel beam in improved Chevron Brace layout. For the modeling and analysis of the projected building, the Etabs program will be used for the analysis of the foundation; Safe For the design of the structural elements it will be based on the ultimate strength method that is specified in the E060 Standard of Reinforced Concrete. Finally, the final cost to the gray hull of the building will be calculated. Key words: Structuring, structural analysis, structural design, nonlinear history time analysis, energy dissipators, element design, cost..

(8) ÍNDICE. DEDICATORIA AGRADECIMIENTO RESUMEN ABSTRACT CAPÍTULO I................................................................................................................... 1 1.. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 2 1.1.. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................ 2. 1.2.. OBJETIVOS ....................................................................................................... 3 Objetivo General.......................................................................................... 3 Objetivos Específicos: ................................................................................. 3. 1.3.. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO .................................................................... 4. 1.4.. METODOLOGÍA DEL DISEÑO ....................................................................... 6 Reglamentos ................................................................................................ 6 Cargas de diseño .......................................................................................... 7. 1.5.. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.......................................................... 9 Concreto armado.......................................................................................... 9 Disipadores de energía de fluido viscoso .................................................... 10. CAPÍTULO II ............................................................................................................... 11 2.. MARCO TEÓRICO................................................................................................. 12 2.1.. FILOSOFÍA DEL DISEÑO SISMORRESISTENTE ........................................ 12. 2.2.. SISTEMA DE CONTROL ESTRUCTURAL ................................................... 12. 2.3.. DISIPADORES DE ENERGÍA ........................................................................ 14 Tipos de disipadores .................................................................................. 14 Disipadores de fluido viscoso..................................................................... 15. 2.4. ELEMENTOS COMPLEMENTARIOS AL SISTEMA DE CONTROL ESTRUCTURAL ........................................................................................................ 17 CAPÍTULO III.............................................................................................................. 18 3.. ESTRUCTURACIÓN.............................................................................................. 19 3.1.. CONDICIONES GENERALES ........................................................................ 19. 3.2.. Estructuración del edificio ................................................................................ 20. CAPÍTULO IV .............................................................................................................. 21 4.. PREDIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES ................... 22.

(9) 4.1.. LOSAS ALIGERADAS.................................................................................... 22. 4.2.. LOSAS MACIZAS ........................................................................................... 22. 4.3.. VIGAS ............................................................................................................. 22 Principales (VP)......................................................................................... 22 Secundarias (VS) ....................................................................................... 23 Vigas chatas: (VCH) .................................................................................. 23 Viga escalera (VES)................................................................................... 23. 4.4.. COLUMNAS .................................................................................................... 24 Predimensionamiento inicial ...................................................................... 24 Predimensionamiento final......................................................................... 24. 4.5.. MUROS DE CORTE ........................................................................................ 29. 4.6.. CISTERNA ...................................................................................................... 29. 4.7.. ESTRUCTURACIÓN FINAL .......................................................................... 29. CAPÍTULO V ............................................................................................................... 31 5.. METRADO DE CARGAS....................................................................................... 32 5.1.. CONSIDERACIONES GENERALES .............................................................. 32. 5.2.. METRADO DE CARGAS EN LOSAS ............................................................ 32. 5.3.. METRADO DE CARGAS EN VIGAS ............................................................. 34. CAPÍTULO VI .............................................................................................................. 35 6.. ANÁLISIS SISMICO .............................................................................................. 36 6.1.. CONSIDERACIONES GENERALES .............................................................. 36. 6.2.. ANÁLISIS SÍSMICO ESTÁTICO.................................................................... 36 Parámetros sísmicos ................................................................................... 36 Análisis modal ........................................................................................... 39 Sistema estructural ..................................................................................... 40 Configuración estructural ........................................................................... 48. 6.3.. ANÁLISIS SÍSMICO DINÁMICO MODAL-ESPECTRAL............................. 50 Aceleración espectral ................................................................................. 50 Cortante dinámico en la base...................................................................... 52 Comparación del cortante estático y dinámico:........................................... 52 Control de derivas ...................................................................................... 53. 6.4.. ANÁLISIS SÍSMICO IMPLEMENTANDO DISIPADORES VISCOSOS ....... 55 Análisis sísmico dinámico modal espectral con R=1 .................................. 55 Análisis sísmico dinámico-tiempo historia lineal ........................................ 58 Determinación del sismo de diseño ............................................................ 61.

(10) Determinación de la deriva objetivo por la metodología Hazus .................. 62 Cálculo de los disipadores de fluido viscoso .............................................. 67 Análisis dinámico-tiempo historia no lineal con disipadores de fluido viscoso 76 Verificaciones del comportamiento de los disipadores ............................... 80 6.5.. DISEÑO DE ELEMENTOS DE SOPORTE DE LOS DISIPADORES ............. 89 Elección del disipador: ............................................................................... 89 Diseño de los brazos metálicos: ................................................................. 91 Diseño de la viga de acero ......................................................................... 97. CAPÍTULO VII .......................................................................................................... 104 7.. DISEÑO ESTRUCTURAL.................................................................................... 105 7.1.. DISEÑO DE LOSAS ALIGERADAS ............................................................ 105 Diseño por flexión: .................................................................................. 105 Diseño por corte....................................................................................... 106 Acero de refuerzo por contracción y temperatura: .................................... 107. 7.2.. DISEÑO DE LOSAS MACIZAS.................................................................... 107 Diseño de losas macizas: .......................................................................... 108 Refuerzo por corte: .................................................................................. 111. 7.3.. DISEÑO DE VIGAS ...................................................................................... 112 Diseño por flexión: .................................................................................. 112 Diseño por Corte:..................................................................................... 116. 7.4.. DISEÑO DE COLUMNAS............................................................................. 120 Esbeltez de la columna:............................................................................ 120 Diseño por flexocompresión: ................................................................... 120 Diagrama de interacción .......................................................................... 124 Diseño por cortante .................................................................................. 125 Verificaciones post diseño de columnas ................................................... 128. 7.5.. DISEÑO DE MUROS DE CORTE ................................................................. 130 Diseño por flexocompresión: ................................................................... 130 Diseño por Corte:..................................................................................... 132 Corte por fricción:.................................................................................... 134. 7.6.. DISEÑO DE ESCALERAS ............................................................................ 135 Metrado de Cargas: .................................................................................. 135 Diseño por flexión: .................................................................................. 137 Diseño por corte: ..................................................................................... 138.

(11) 7.7.. DISEÑO DE CISTERNA ............................................................................... 138. 7.8.. DISEÑO DE MUROS DE SÓTANO .............................................................. 140. 7.9.. DISEÑO DE LA CIMENTACIÓN ................................................................. 142 Datos del terreno bajo la cimentación:...................................................... 143 Platea de cimentación: ............................................................................. 143 Resultados del análisis de la platea de cimentación: ................................. 144 Diseño de la platea de cimentación: ......................................................... 145. CAPÍTULO VIII ......................................................................................................... 149 8.. PRESUPUESTO DEL PROYECTO ...................................................................... 150 8.1.. METRADO .................................................................................................... 150. 8.2.. ANÁLISIS DE COSTOS UNITARIOS .......................................................... 150. 8.3.. PRESUPUESTO FINAL ................................................................................ 150. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS.

(12) ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Planta del Sótano................................................................................................ 4 Figura 2. Planta típica. ...................................................................................................... 5 Figura 3. Elevación del edificio. ........................................................................................ 6 Figura 4.Clasificación de los sistemas de control estructural............................................ 13 Figura 5.Elementos de un disipador de energía. ............................................................... 17 Figura 6.Elementos de un disipador de energía. ............................................................... 24 Figura 7.Área tributaria en columna esquinera. ............................................................... 26 Figura 8.Dimensiones de columna esquinera (L). ............................................................ 27 Figura 9.Dimensiones de columna excéntrica (T). ........................................................... 28 Figura 10.Estructuración del piso típico. ......................................................................... 30 Figura 11.Modelo 3D renderizado del edificio. ............................................................... 30 Figura 12.Área tributaria de la carga de tabiquería. ......................................................... 33 Figura 13.Determinación de la carga lineal de los muros perimetrales. ............................ 34 Figura 14.Espectro de aceleración X. .............................................................................. 50 Figura 15.Espectro de aceleración Y. .............................................................................. 51 Figura 16.Ingreso de valores de aceleración horizontal y vertical. ................................... 51 Figura 17.Ingreso de valores escalados para el análisis dinámico final en el programa..... 52 Figura 18.Relación velocidad vs fuerza de amortiguamiento. .......................................... 69 Figura 19.Determinación del ángulo y desplazamiento relativo del soporte de disipador de energía. ........................................................................................................................... 70 Figura 20. Ingreso de las propiedades no lineales de los disipadores X. ........................... 76 Figura 21.Ingreso de las propiedades no lineales de los disipadores Y. ............................ 76 Figura 22.(a) Elevación eje 1, (b) Vista 3D. ................................................................... 77 Figura 23.(a) Elevación eje A (b) Vista sólo disipadores. ................................................ 77 Figura 24.Curva histerética. ............................................................................................ 80 Figura 25.Comportamiento histerético K9. ...................................................................... 80 Figura 26.Comportamiento histerético K89. .................................................................... 81 Figura 27.Balance energético. ......................................................................................... 82 Figura 28.Dimensiones del dispositivo y de la placa base correspondiente. ..................... 86 Figura 29.(a) Curva histerética de K41, (b) Elevación del eje 1 que contiene el disipador K41. ................................................................................................................................ 88 Figura 30.Disipador típico............................................................................................... 89 Figura 31.Vista planta de la placa base. ........................................................................... 90 Figura 32.Diagrama de cuerpo libre en el centro de la viga de acero. ............................... 99 Figura 33.Distribución de cargas en la viga de acero. ...................................................... 99 Figura 34.Propiedades de la sección de la viga W 27 x 84. ............................................ 100 Figura 35.Diagrama de curva de resistencia básica de la viga de acero. ......................... 101 Figura 36.Capacidades del momento nominal según zonas. ........................................... 102 Figura 37.Dimensiones de sección de la viga W27x84. ................................................. 103 Figura 38.Corte típico del aligerado h=0.25 m. .............................................................. 105 Figura 39.Diseño de losa aligerada del paño A. ............................................................. 107 Figura 40.Tramos de losa maciza en nivel típico. .......................................................... 108 Figura 41.Diagrama de fuerza cortante y momento flector de la losa maciza. ................ 111 Figura 42.Esfuerzos y deformaciones en una sección rectangular. ................................. 112 Figura 43.Diagrama de Momento Flector de la viga VP 201. ........................................ 112.

(13) Figura 44.Esfuerzos y deformaciones en etapa balanceada para una sección rectangular. ..................................................................................................................................... 115 Figura 45.Resistencia al corte proporcionado por el concreto y el acero. ....................... 117 Figura 46.Distribución de refuerzo transversal. ............................................................. 118 Figura 47.Diagrama de Fuerza Cortante efectivo. .......................................................... 119 Figura 48.Diseño de viga VP 201. ................................................................................. 119 Figura 49.Diagrama de Interacción NS-4. ..................................................................... 125 Figura 50.Diagrama de Interacción resistente, nominal.................................................. 132 Figura 51.Placa PL-4..................................................................................................... 135 Figura 52.Diagrama de momento flector muro cisterna. ................................................ 139 Figura 53.(a) Diagrama de momento flector, (b) Diagrama de Fuerza Cortante. ............ 140 Figura 54.Diseño de muro de sótano típico. ................................................................... 142 Figura 55.Modelado de platea de cimentación. .............................................................. 143 Figura 56.Esfuerzos actuantes sobre la platea de cimentación........................................ 144 Figura 57.Momentos actuantes sobre la platea de cimentación en la dirección X. .......... 144 Figura 58.Momentos actuantes sobre la platea de cimentación Y. .................................. 145.

(14) ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 1. Cálculo de Carga tributaria para columna céntrica. ............................................ 25 Tabla 2. Cálculo de Carga tributaria para columna esquinera........................................... 27 Tabla 3. Cálculo de carga tributaria para columna excéntrica. ......................................... 28 Tabla 4. Dotación por número de dormitorios. ................................................................ 29 Tabla 5.Datos de factor de suelo del Estudio de Mecánica de Suelos. .............................. 37 Tabla 6. Valores de Coeficiente CT según el sistema estructural propuesto. .................... 37 Tabla 7. Valores de los factores del edificio respecto a la norma. .................................... 38 Tabla 8.Valores de los coeficientes. ................................................................................ 39 Tabla 9. Períodos de vibración para cada dirección. ........................................................ 39 Tabla 10. Valores para cada dirección. ............................................................................ 39 Tabla 11.Valores de rigidez lateral para cada entrepiso en la dirección X. ....................... 40 Tabla 12.Valores de rigidez lateral para cada entrepiso en la dirección Y. ....................... 41 Tabla 13.Valores de la cortante en cada entrepiso en dirección X (tonf). ......................... 42 Tabla 14.Valores de la cortante en cada entrepiso en dirección Y (tonf). ......................... 43 Tabla 15.Valores de la masa de cada nivel. ..................................................................... 44 Tabla 16.Valores de las derivas de cada entrepiso en dirección X. ................................... 45 Tabla 17.Valores de las derivas de cada entrepiso en dirección Y. ................................... 46 Tabla 18.Evaluación de existencia de irregularidad. ........................................................ 47 Tabla 19.Evaluación de existencia de irregularidad. ........................................................ 47 Tabla 20.Control de irregularidades. ............................................................................... 48 Tabla 21.Valores de cortante en muros de corte X. .......................................................... 49 Tabla 22.Valores de cortante en muros de corte Y. .......................................................... 49 Tabla 23.Valores de cortante estático y dinámico. ........................................................... 52 Tabla 24.Valores de derivas inelásticas X. ...................................................................... 53 Tabla 25.Valores de derivas inelásticas Y. ...................................................................... 54 Tabla 26.Verificación de la masa participativa. ............................................................... 55 Tabla 27.Derivas inelásticas X. ....................................................................................... 56 Tabla 28.Derivas inelásticas Y. ....................................................................................... 57 Tabla 29.Registros sísmicos. ........................................................................................... 58 Tabla 30.Cuadro resumen de derivas X. .......................................................................... 59 Tabla 31.Cuadro resumen de derivas Y. .......................................................................... 60 Tabla 32.Cuadro resumen de las relaciones entre derivas (ATHL y ASDME R=1) en dirección X. .................................................................................................................... 61 Tabla 33.Cuadro resumen de las relaciones entre derivas (ATHL y ASDME R=1) en dirección Y. .................................................................................................................... 62 Tabla 34.Niveles de movimiento sísmico de diseño. ........................................................ 63 Tabla 35.Niveles de desempeño de una edificación. ........................................................ 63 Tabla 36.Niveles de desempeño sísmico esperado. .......................................................... 64 Tabla 37.Clasificación según tipo de estructura. .............................................................. 65 Tabla 38.Relación estado de daño y deriva según clasificación por tipo de estructura. ..... 66 Tabla 39.Dimensiones del perfil Round Hss 20.00 x 0.500. ............................................. 68 Tabla 40. Valores de gamma respecto a alfa. ................................................................... 69 Tabla 41.Cálculo de la amplitud. ..................................................................................... 71.

(15) Tabla 42.Valores de masa de cada entrepiso. ................................................................... 71 Tabla 43.Valores de desplazamientos producidos por el modo 1 en X-Y. ........................ 72 Tabla 44.Valores de desplazamientos relativos producidos por el modo 1 en Y. .............. 73 Tabla 45.Cálculo de factores en X-Y. .............................................................................. 74 Tabla 46.Cuadro de derivas inelásticas del ATHNL X. ................................................... 78 Tabla 47.Cuadro de derivas inelásticas del ATHNL Y. ................................................... 79 Tabla 48.Fuerza y peso de disipadores según Taylor Devices. ......................................... 83 Tabla 49.Fuerza en los disipadores en los ejes 1 y 6. ....................................................... 84 Tabla 50.Fuerza en los disipadores en los ejes A y F. ...................................................... 85 Tabla 51.Cuadro resumen de la cantidad de disipadores según el tipo de Fuerza. ............ 86 Tabla 52.Tabla de modos, períodos y masa participativa con disipadores. ....................... 87 Tabla 53.Características de los disipadores 440, 675 y 900 kip. ....................................... 90 Tabla 54.Características de la placa base según el tipo de disipador. ............................... 90 Tabla 55.Fuerzas demandadas por cada disipador para un sismo máximo Y. ................... 92 Tabla 56.Fuerzas demandadas por cada disipador para un sismo máximo X. ................... 95 Tabla 57.Diferencial de axiales de los disipadores para un sismo máximo esperado. ....... 98 Tabla 58.Valores de momentos resistentes básicos a lo largo de la viga. ........................ 100 Tabla 59.Dimensiones del perfil de la viga de acero W 27 x 84. .................................... 103 Tabla 60.Diseño de aligerado unidireccional. ................................................................ 106 Tabla 61. Cuadro de momentos ..................................................................................... 110 Tabla 62.Diseño de losa maciza bidireccional. [Fuente: Elaboración propia] ................. 111 Tabla 63.Características de la viga VP 201. ................................................................... 113 Tabla 64.Valores de la cuantía según el valor de Ku. ..................................................... 113 Tabla 65.Valores de la cuantía máxima. ........................................................................ 116 Tabla 66.Cargas y momentos resultantes de las combinaciones NS-4. ........................... 124 Tabla 67.Valores de lambda según el tipo de concreto................................................... 129 Tabla 68.Valores de coeficiente de fricción según el tipo de concreto............................ 129 Tabla 69.Valores de fuerzas, momentos según las combinaciones. ................................ 131 Tabla 70.Valores de ∝c, según la relación de esbeltez. .................................................. 132.

(16) CAPÍTULO I. 1.

(17) CAPÍTULO I. 1. INTRODUCCIÓN. En años venideros, el aumento de la población arequipeña provocará que se requiera de construcción de edificios que alberguen gran cantidad de familias, por lo que los edificios altos serán necesarios para poder abastecer las viviendas de la población. Por lo tanto, es vital el uso de nuevas tecnologías para poder darle a la población edificios que cumplan la función biunívoca de calidad en el proyecto y en el producto, por lo cual, se debe realizar investigaciones sobre distintos sistemas de protección sísmica para alcanzar el objetivo. Además, de buscar otro método de reforzamiento estructural para edificios antiguos altos por medio de los sistemas de disipadores de fluido viscoso. Finalmente, con la implementación de los disipadores se podrá obtener que el edificio tendrá un daño moderado ante un sismo severo. 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. En los últimos años en la ciudad de Arequipa, es notable el incremento poblacional, lo que trae por consecuencia que el desarrollo de proyectos civiles del tipo de vivienda multifamiliar vaya en aumento, por lo que se debe tener en cuenta el diseño de un edificio alto con protección sísmica con disipadores de energía con fluido viscoso. Además, en la actualidad los constantes movimientos telúricos que azotan en nuestra zona, obligan a considerar diseños de edificios con protección sísmica, la norma actual menciona algunos y es lo que se tomará en cuenta en la presente tesis.. 2.

(18) Al tener un edificio de catorce niveles con semisótano y sótano, el diseño tradicional podría desembocar un diseño muy elaborado, detallado, costoso, y quizás vulnerable, ya que la norma vigente permite daño ante un sismo severo, siendo este daño importante a los elementos resistentes al sismo, dejándolo quizás inestable. Por lo tanto, se implementará un sistema de protección, el cual logrará que el edificio alcance un rango no lineal elástico, es decir, que el estado de daño sea de leve a moderado por medio de la metología Hazus.. Este sistema de protección sísmica será aplicando disipadores de energía los cuales se encargan de disipar la energía producido por el sismo distribuido en cada nivel. Anclados en brazos metálicos que llevan un cilindro que trabaja tipo pistón, que contiene un fluido viscoso de silicona. 1.2. OBJETIVOS Objetivo General. Realizar el diseño de un edificio de concreto armado utilizando un sistema de protección sísmica de disipadores de energía con fluido viscoso.. Objetivos Específicos:. i.. Realizar una correcta estructuración del edificio.. ii.. Realizar el análisis estático y dinámico de la estructura del edificio.. iii.. Realizar el análisis tiempo historia no lineal con el sistema de disipadores de energía implementados en el edificio.. iv.. Realizar el control de las derivas, curva histerética y balance energético.. 3.

(19) v.. Diseñar el sistema de disipadores.. vi.. Diseñar los elementos estructurales del edificio y la cimentación del edificio.. vii.. Realizar el cálculo del costo a nivel del casco gris.. 1.3. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO El edificio denominado “BOFO”, se proyectará sobre un terreno rectangular de 830 m2 que queda ubicado en la urbanización Luis A. Ibarcena, frente al condominio Valle Blanco en el distrito de Cerro Colorado en la ciudad de Arequipa. Tiendo una frentera de 29.1 m y una profundidad de 28.5 m. El edificio consta de 14 niveles y 1 semisótano y 1 sótano de vivienda tipo multifamiliar, según la arquitectura del mismo, la distribución es: SÓTANOS 1 Y 2: Tendrá un área de 800 m2, será destinado para estacionamiento de los propietarios de los departamentos, caja de ascensor y escalera. Figura 1. Planta del Sótano.. Fuente: Elaboración propia 4.

(20) NIVELES 1 AL 14: Consistirán en cuatro departamentos por nivel, de un área de 150.29 m2 que tendrá 3 dormitorios, 2 servicios higiénicos, 1 sala-comedor, 1 patio de servicio, 1 cocinadesayunador, 1 terraza. Figura 2. Planta típica.. Fuente: Elaboración propia. Además, cuenta con áreas comunes entre todos los niveles, estas son: las escaleras de concreto armado y dos cajas de ascensor ubicadas en el centro de cada planta. La altura total del edificio será 45.60 m, con altura típica de 2.65 m en los niveles 1 al 14 y la del semisótano es 4.25 m, del sótano es 4.20 m, para lograr observar a detalle, los planos de arquitectura (planta, elevación y corte) se presentarán en la sección de Anexos. Se tendrán 6 ejes en el X y 6 ejes en el eje Y.. 5.

(21) Figura 3. Elevación del edificio.. Fuente: Elaboración propia 1.4. METODOLOGÍA DEL DISEÑO Reglamentos Se requiere de las normas de reglamento nacional de edificaciones: - NTE E 020: Cargas. - NTE E 030: Diseño Sismorresistente. - NTE E 050: Suelos y cimentaciones. - NTE E 060: Concreto Armado. - NTE E070: Albañilería. Adicionalmente se necesitará para la implementación de los disipadores y elementos de soporte: - ASCE 7-10 Capitulo 18. - FEMA 274 Capitulo 9.. 6.

(22) - Manual AISC 13 edición. - Manual Multi-hazard Loss Estimation Methodology.. Cargas de diseño Para el diseño de los elementos estructurales se requerirá el método de diseño a la rotura o de resistencia última, ya que permite controlar el modo de falla de una estructura compleja considerando la última resistencia; por lo que la distribución de esfuerzos se presenta dentro del rango elástico. El método mencionado tiene en cuenta dos conceptos: o La amplificación de cargas de servicio que consiste en darle un aumento a los valores de las cargas por un motivo conservador. o Los factores de resistencia; dichos son necesarios ya que el ACI aprovecha el uso de factores de resistencia tanto de las imperfecciones constructivas del concreto por motivos de seguridad. Según Harmsen (2005), cita el principio del código del ACI: “La naturaleza del concreto armado y por procedimiento constructivo hace que la resistencia nominal calculada se haga menor, siendo menor de lo calculado, por lo que se considera factores de reducción, para así compensarlo basándose en datos probabilísticos”. Por tal motivo la norma E060 considera que: ∅Rn ≥ ( γ Q1+ γ Q2+…+γ Qn)= Ru Donde: ∅: 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑎 𝑅𝑛: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑜 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 γ: Factor de amplificación de carga 7.

(23) Qn : Carga Ru: Resistencia requerida Se tendrán tres tipos de cargas: Cargas de gravedad: o Cargas muertas: Se considerará el peso muerto del edificio y una carga adicional, dependiendo si es una carga puntual, lineal y superficial. o Estas adicionales son los muros tabiques, piso terminado, entre otros. Se le representa con CM. o Cargas vivas: Son aquellas repartidas dependiendo de la ocupación que se le dará al espacio, las cuales se estiman de las personas, tabiquería móvil, entre otras. estas se extraen de la Tabla 1 del capítulo 3 de la E020 Cargas. Se la representa con CV. La norma indica que en la azotea se debe considerar la mitad de la carga viva asignada a cada piso típico. Cargas laterales: Se puede considerar a las provenientes del sismo, viento, empuje lateral de los suelos. Se considerará sismo (CS) o viento (CVi). Las cargas provenientes del sismo se tomarán para cada dirección X, Y. o Tiempo historia: Se tomará 7 registros para el análisis, estos son: Arequipa (2005), Characato (2005), Arequipa (2001), Chile (Tacna 2014), Moyobamba (2005), Lima (1974), Ica (2007). Se debe tener en cuenta que Ru es el conjunto de combinaciones de carga, estas son combinaciones de diferente tipo de cargas que deberán ser suplidas por el edificio (U). Combinación General 1:. U = 1.4 CM + 1.7 CV. Combinación General 2:. U = 1.25 (CM + CV) +/- CS. Combinación General 3:. U = 0.9 CM +/- CS. 8.

(24) Respecto a los factores de resistencia ultima, varía dependiendo del análisis que se requiere para cada elemento estructural: Flexión:. ∅ = 0.90. Corte:. ∅ = 0.85. Compresión: ∅ = 0.70 Compresión: 𝛼 = 0.80 1.5. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Los elementos estructurales son de concreto armado, por lo que, a continuación, se presenta las propiedades mecánicas de cada material: Concreto armado o Concreto: Resistencia a la compresión (𝑓′𝑐): - Tipo 1: 210 kgf/cm2. - Tipo 2: 280 kgf/cm2. Módulo de Elasticidad del concreto (𝐸𝑐): 𝐸𝑐 = 15000 ∗ √𝑓′𝑐 Módulo de Poisson: 𝜇 𝜇 = 0.20 Deformación unitaria (𝜀𝐶𝑈 ): 𝜀𝐶𝑈 = 0.003 o Acero: Esfuerzo a la fluencia (f’y):. f’y = 4200 kgf/cm2. Resistencia mínima a la tracción a la rotura (f’s):. f’s = 6300 kgf/cm2. Módulo de Elasticidad del acero (Es):. Es = 2000000 kgf/cm2. Deformación unitaria (𝜀𝑦 ):. 𝜀𝑦 = 0.0021. 9.

(25) Disipadores de energía de fluido viscoso Acero Estructural: Módulo de elasticidad:. 29000 ksi. Esfuerzo de fluencia (f’y): - Tipo 1: 42 ksi. - Tipo 2: 50 ksi. Elementos del disipador: FLUIDO DEL DISIPADOR:. Silicona. SELLO:. Nylon Estabilizado. 10.

(26) CAPÍTULO II. 11.

(27) CAPÍTULO II 2. MARCO TEÓRICO 2.1. FILOSOFÍA DEL DISEÑO SISMORRESISTENTE Según la norma E 0.30, su filosofía consiste en: a.. Evitar pérdida de vidas humanas. b.. Asegurar la continuidad de los servicios básicos. c.. Minimizar los daños a la propiedad. Teniendo en cuenta los siguientes principios: a. La estructura no debería colapsar, puede tener daños importantes debido a sismos severos. b. La estructura debe soportar sismos moderados, teniendo daños reparables dentro de los límites aceptables. La filosofía de la norma es considerable para edificios de pocos pisos, pero para un edificio de las características del proyecto o mayores, se debe tomar en cuenta un sistema de protección sísmica, para evitar daños importantes en el sistema estructural, además de reducir la presencia de elementos de corte, por consecuencia, reducir el costo del edificio.. 2.2. SISTEMA DE CONTROL ESTRUCTURAL El sistema estructural es el conjunto de elementos estructurales que garantizaran resistencia y respuesta aceptable ante cargas de gravedad, laterales, además de que debe ser rentable. Ante esto será sometido a un análisis sísmico estático, dinámico modal espectral que debe cumplir con las derivas máximas permisibles según la norma. Además, para optimizar el sistema estructural se adiciona un sistema de protección sísmica, el cual permitirá realizar un análisis tiempo historia no lineal, para que cumpla con la deriva objetivo y así garantizar solo daño de rango de leve a moderado ante un sismo severo, según la metodología Hazus.. 12.

(28) Luego de este análisis se realiza el diseño estructural de los elementos y del sistema de protección sísmica. Figura 4.Clasificación de los sistemas de control estructural.. SISTEMA DE CONTROL ESTRUCTURAL. PASIVO. ACTIVO. HIBRIDO. Fuente: Elaboración propia El sistema de control estructural pasivo no requiere de sensores energéticos, es decir, que cuando se presenta el sismo, no habrá la necesidad de un sensor en la parte superior del edificio que envié al sistema la cantidad de energía que debe disipar; tal como los de tipo activo. Las ventajas respecto a otros tipos de sistemas de control estructural: o Comportamiento independiente en función a la energía sísmica de entrada. o Ahorro debido a evitar reparaciones después de un evento sísmico severo. Este sistema pasivo tiene tres dispositivos a poder utilizar: o Amortiguador de masa: Consiste en cargar en el último nivel una importante masa concentrada que funcionaría como contrapeso, para poder reducir las oscilaciones que se presentaría y absorber la energía cinética inicial. o Aislamiento en la base: Usando un sistema de aisladores, se reduce la cortante en la base de la superestructura, tomando el restante para poder diseñar los elementos de corte de esta. Siendo efectiva en áreas amplias por la cantidad de aisladores que se pueden presentar, por ejemplo, centros educativos, hospitales, entre otros de gran área.. 13.

(29) o Disipadores de energía: Toma en consideración un sistema de dispositivos que añade amortiguamiento a la estructura sin cambiar su rigidez, siendo útil en edificios altos y/o en reforzamiento estructural.. 2.3. DISIPADORES DE ENERGÍA Los disipadores de energía establecen un sistema de protección sísmica que permite construir edificios altos más económicos y a la vez dar seguridad ante venideros eventos sísmicos. El disipador agrega amortiguamiento y es útil tanto en edificios nuevos como antiguos, ya que se puede manejar la rigidez de la estructura. Según la norma E.030 (2018), solo menciona que, para sistemas de disipación de energía, se debe cumplir las disposiciones de la norma: mínima fuerza cortante en la base, derivas permisibles máximas. Además, que el proyectista debe guiarse del documento “Minimum Desing Loads for Building and Other Structures”, ASCE/SEI 7-10, Structural Engineering Institute of the American Society of Civil Engineers, Reston, Virginia, USA, 2010.. Tipos de disipadores Se dividen en tres tipos: -Disipadores dependientes del desplazamiento: Histereticos de plastificación y por fricción. -Disipadores dependientes de la velocidad: Viscosos -Disipadores del desplazamiento y velocidad: Viscoelásticos. 14.

(30) Disipadores de fluido viscoso Introducción a los disipadores Los disipadores de energía son dispositivos que aumentan el amortiguamiento a la estructura, de tal manera que al ingresar el sismo pueda disipar la energía producida por ésta, reduciendo la cantidad de elementos de corte. Cabe decir, que no aporta rigidez, por eso es útil para proyectos de reforzamiento estructural. Según Gómez (2010), “su uso es eficiente en edificios de poca, mediana y gran altura con costos por lo general bajos, aunque se presenta una dispersión significativa de precios dependiendo de las tecnologías utilizadas”. Además, para una óptima eficiencia se debe tener en cuenta: la ubicación de los dispositivos en el edificio, la clase de disipador.. Antecedentes previos Sobre la importancia de la estructuración y el análisis sísmico El desastre ocurrido en Ica el pasado 2007, dejó en claro que se debe estar preparado para evitar pérdidas humanas y damnificados, en esa tragedia hubo 434614 damnificados, 596 fallecidos y 93708 viviendas destruidas, si bien el terremoto fue considerable, no se esperaba que hubiera tanto daño, por lo que se tomaría en cuenta a la funcionaria de las Naciones Unidas Margareta Wahlstrom, la cual afirmó que “Los que matan no son los sismos sino los edificios mal construidos”.. 15.

(31) Sobre edificios que tienen protección sísmica usando disipadores de energía de fluido viscoso en Perú: En la Torre Central del Aeropuerto Jorge Chávez de Lima, se realizó en el año 2017 el reforzamiento estructural de la torre central de 10 pisos; la cual se implementó 42 disipadores, los cuales los brazos tuvieron en disposición Chevron. La nueva sede central del Banco de la Nación, cuenta con más de 135 metros de altura, comprendidos por 30 pisos y un helipuerto en su cima. A fin de atenuar las vibraciones que se producen durante sismos, el edificio cuenta con 16 disipadores de energía sísmica instalados en los últimos ocho pisos; construido en el año 2015. Elementos de un disipador de fluido viscoso Barra del pistón: Es diseñada para resistir el pandeo por compresión y no debe flexionarse. Es de material de acero de alta aleación inoxidable muy pulido. Cilindro: Contiene el fluido de trabajo y soporta la carga de presión cuando funciona el amortiguador. Fluido: Las aplicaciones estructurales requieren un fluido resistente al fuego, no toxico y perdurable. El fluido a utilizar es la silicona, la cual tiene un punto de inflamación de más de 650°F, además de ser inerte y no toxico. Sello: No debe permitir filtración de líquido, está hecho de polímero estructural de alta resistencia, por ejemplo: teflón A, nylon estabilizado, resina acetil. Cabeza de pistón: Sirve para compensar el movimiento del fluido.. 16.

(32) Figura 5.Elementos de un disipador de energía.. Fuente: Elaboración propia 2.4. ELEMENTOS COMPLEMENTARIOS AL SISTEMA DE CONTROL ESTRUCTURAL Son complementarios al sistema, con la función de ser acoplamiento y de seguridad para su óptimo uso y protección. Estos son los brazos metálicos y la viga de acoplamiento. o Brazo metálico: De acero estructural hueco con la finalidad de arriostrar al disipador, su funcionamiento depende del arreglo con el que se modela, para el presente proyecto se tendrá una disposición de Chevron Brace mejorado y diagonal simple, por lo que se toma en cuenta las fuerzas axiales que llegan a los nudos. o Viga de acoplamiento: Será el soporte para los brazos metálicos, será del mismo material que el de los brazos metálicos. Esta viga deberá sobrellevar los esfuerzos máximos de los brazos metálicos producidos en el centro de la viga.. 17.

(33) CAPÍTULO III. 18.

(34) CAPÍTULO III 3. ESTRUCTURACIÓN 3.1. CONDICIONES GENERALES Todo proyecto funcionable debe tener en cuenta la estructuración, análisis sísmico para la evaluación de la misma y el diseño final de cada elemento estructural. Como es la primera etapa que se debe realizar, se ha de tener criterio para realizar la estructuración, ya que se debe decidir cómo será la distribución de los elementos estructurales para poder suplir las demandas de gravedad y sísmicas. Se debe procurar que la estructuración tenga: a) Simetría: Mínima irregularidad en lo posible, tanto en planta como en altura. b) Continuidad vertical: Los elementos verticales (columnas, muros de corte), deberían ser continuos para evitar cambios radicales de la resistencia al corte por la fuerza cortante de entrepiso producida por el sismo, a fin de evitar perdida de rigidez. c) Sistema Estructural: Para este tipo de edificios se podrá considerar entre muros y dual (combinación de muros de corte y pórticos). d) Diafragma rígido: Es importante tomar el presente concepto, ya que su principal objetivo es garantizar que los elementos verticales (columnas, muros de corte) y horizontales (vigas) y losas se desplacen uniformemente después de realizar los análisis sísmicos. Dicha función lo toma generalmente las losas. e) Resistencia y ductilidad: Los elementos estructurales deben ser capaces de resistir las demandas con éxito, en ambas direcciones. Además, estos elementos tienen que tener un comportamiento dúctil, es decir, que no exista falla frágil. f) Rigidez lateral: La rigidez es la capacidad o resistencia de los elementos para que no genere deformaciones excesivas.. 19.

(35) g) Cimentación: Considerar que los esfuerzos actuantes sean menores a la resistencia del suelo. 3.2. Estructuración del edificio Se colocarán los elementos estructurales de manera equitativa y en lo posible regular. a) LOSAS: Se distribuirán los paños de tal manera que se formen en las intersecciones entre ejes. Se tomarán las losas aligeradas unidireccionales en los niveles típicos. Las losas macizas se las usará en paños con aberturas o paños irregulares. b) VIGAS: Estos elementos estructurales horizontales se las clasificara en principales, secundarias, borde, chatas. c) COLUMNAS: Elementos verticales que proveerán el soporte y rigidez lateral que soportarán las cargas de gravedad y de sismo. d) MUROS DE CORTE: Estos serán predominantes en cajas de ascensores y cajas de escaleras y puedan darle mayor rigidez en la estructura.. 20.

(36) CAPÍTULO IV. 21.

(37) CAPÍTULO IV 4. PREDIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES 4.1. LOSAS ALIGERADAS Para este predimensionamiento se tomará en una dirección. La dirección de las viguetas será en la dirección corta (X). De acuerdo al plano, se tomará de luz libre 5.40 m, considerando además de que para viviendas se tiene una sobrecarga de 200 kgf / m2. ℎ=. 𝐿𝑢𝑧 𝐿𝑖𝑏𝑟𝑒 5.40 = = 0.216 m 25 25. Se optará por un espesor de losa de 25 cm, para evitar el tema de la deflexión. El aligerado consistirá de viguetas de 10 cm de ancho y espaciadas cada 40 cm y ladrillo hueco de 30 cm x 30 cm x 20 cm. 4.2. LOSAS MACIZAS En la zona del recibidor y el techo del sótano se tendrá losa maciza bidireccional. Por lo que se predimensionará el espesor de la losa con: ℎ= ℎ=. 𝐿𝑢𝑧 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 6.04 = = 0.151 m 40 40. 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 2(6.04 + 4.20) = = 0.114 m = 12 cm 180 180. Se tomará en cuenta un espesor de losa de 20 cm 4.3. VIGAS Principales (VP) Se tomarán como principales a las de dirección Y, ya que su función es cargar la losa de piso. Para predimensionar se considerará: ℎ= ℎ=. 𝐿𝑢𝑧 𝐿𝑢𝑧 @ 10 12. 7.25 = 0.725 m 10. ℎ=. 7.25 = 0.604 m 12. Finalmente se tomará h= 0.65m, donde h es el peralte de la viga y b, la base de la viga. 22.

(38) 𝑏=. ℎ 2ℎ @ 2 3. 𝑏 = 0.325 @ 0.433 , 𝑏 = 0.40 m Se tendrán vigas principales de 0.40 m x 0.65 m Secundarias (VS) Vigas Secundarias (VS): En la dirección X Para predimensionar se considerará: ℎ= ℎ= ℎ=. 𝐿𝑢𝑧 𝐿𝑢𝑧 @ 10 12. 5.40 = 0.54 m 10. 5.40 = 0.45 m 12. Finalmente se tomará h = 0.50 m 𝑏=. ℎ 2ℎ @ 2 3. 𝑏 = 0.25 @ 0.333 , 𝑏 = 0.30 m Se tendrán vigas secundarias de 0.30 x 0.50 m Vigas chatas: (VCH) Se colocarán entre el eje 2 y 3; 5 y 6, por presencia de tabiquería en dirección X-X, la cual es paralela a la dirección principal de la losa. Por lo que se contará con una sección de 0.25 m x 0.25 m. Viga escalera (VES) Viga de soporte para la escalera. Se tomará de 0.25 m x 0.40 m. 23.

(39) 4.4. COLUMNAS Predimensionamiento inicial Para el predimensionamiento se tomará en cuenta las áreas tributarias, para columna centrada, excéntrica y esquinera, teniendo la siguiente relación para dimensiones preiniciales de las columnas: o Columna Centrada 𝑏=. 𝐻 4.25 = = 0.53 m 8 8. 𝑏=. 𝐻 4.25 = = 0.47 m 9 9. 𝑏=. 𝐻 4.25 = = 0.43 m 10 10. o Columna Excéntrica. o Columna Esquinera. Por lo tanto, se tomarán columnas de 65 cm para cada lado, tomándose un área de 4225 cm2. Predimensionamiento final Se distribuirán en tres tipos de columnas o Columna tipo 1: Por ser columna céntrica, se opta por una sección cuadrada de 65 cm x 65 cm. A continuación, se presenta la mayor área de tributaria que debe cargar una columna de este tipo. Figura 6.Elementos de un disipador de energía.. Fuente: Elaboración propia 24.

(40) A continuación, se presenta las tablas de las solicitaciones de gravedad que llevaría la columna en este predimensionamiento inicial: Tabla 1. Cálculo de Carga tributaria para columna céntrica. Dimensiones Carga muerta. Carga. Pisos. Peso. Und. tonf. B. H. L. Área. (tonf/m2)-. (m). (m). (m). (m2). (tonf/m3). 32.01. 0.35. 16. 179.23. Losa Viga x. 0.3. 0.5. 5.8. 2.4. 16. 33.41. Viga y. 0.4. 0.65. 6.33. 2.4. 16. 63.20. Acabados. 36.7. 0.1. 16. 58.72. Tabiquería. 36.7. 0.15. 16. 88.08. Columnas nivel 1-14. 0.65. 0.65. 2.6. 2.4. 14. 36.91. Columna SS. 0.65. 0.65. 4.25. 2.4. 1. 4.31. Columna Sótano. 0.65. 0.65. 5.7. 2.4. 1. 4.26. CM. 469.64. Carga Viva. Área (m2). Carga (tonf/m2). Pisos (Und). Peso (tonf). Pisos típicos. 36.7. 0.2. 15. 110.1. Último nivel. 36.7. 0.1. 1. 3.67. CV. 113.77. Fuente: Elaboración propia Tomando en cuenta que: A columna=. P servicio '. 0.45 f c. =. 583410 kgf =4630.21 cm2 0.45*280 kgf /cm2. Se optará una sección de 75 cm x 75 cm. 25.

(41) o Columnas tipo 2: Para una columna de posición esquinera, se optará por motivos de presentar de rigidez ante las dos direcciones del sismo, por una sección L. Figura 7.Área tributaria en columna esquinera.. Fuente: Elaboración propia. 26.

(42) Tabla 2. Cálculo de Carga tributaria para columna esquinera. Dimensiones Carga muerta. Carga. Pisos. Peso. Und. tonf. B. H. L. Área. (tonf/m2)-. (m). (m). (m). (m2). (tonf/m3). 10.50. 0.35. 16. 58.79. Losa Viga x. 0.3. 0.5. 2.8. 2.4. 16. 16.13. Viga y. 0.4. 0.65. 3.45. 2.4. 16. 34.44. Acabados. 10.92. 0.1. 16. 17.47. Tabiquería. 10.92. 0.15. 16. 26.21. Columnas nivel 1-14. 0.65. 0.65. 2.6. 2.4. 14. 36.91. Columna SS. 0.65. 0.65. 4.25. 2.4. 1. 4.31. Columna Sótano. 0.65. 0.65. 5.7. 2.4. 1. 5.78. CM. 200.04. Carga Viva. Área (m2). Carga (tonf/m2). Pisos (Und). Peso (tonf). Pisos típicos. 10.92. 0.2. 15. 32.76. Último nivel. 10.92. 0.1. 1. 1.09. CV. 33.85. Fuente: Elaboración propia A columna=. P servicio '. 0.35 f c. =. 233890 kgf =1856.27 cm2 0.35*280 kgf/cm2. Figura 8.Dimensiones de columna esquinera (L).. Fuente: Elaboración propia. 27.

(43) o Columnas tipo 3: Teniendo la misma causa del segundo tipo propuesto, se tendrá una columna excéntrica, optando una sección tipo T. Tabla 3. Cálculo de carga tributaria para columna excéntrica. Dimensiones Carga muerta. Carga. Pisos. Peso. Und. tonf. B. H. L. Área. (tonf/m2)-. (m). (m). (m). (m2). (tonf/m3). 17.71. 0.35. 16. 99.18. Losa Viga x. 0.3. 0.5. 2.8. 2.4. 16. 16.13. Viga y. 0.4. 0.65. 6.33. 2.4. 16. 63.20. Acabados. 18.66. 0.1. 16. 29.86. Tabiquería. 18.66. 0.15. 16. 44.78. Columnas nivel 1-14. 0.65. 0.65. 2.6. 2.4. 14. 36.91. Columna SS. 0.65. 0.65. 4.25. 2.4. 1. 4.31. Columna Sótano. 0.65. 0.65. 5.7. 2.4. 1. 5.78. CM. 300.14. Carga Viva. Área (m2). Carga (tonf/m2). Pisos (Und). Peso (tonf). Pisos típicos. 10.92. 0.2. 15. 32.76. Último nivel. 10.92. 0.1. 1. 1.09. CV. 33.85. [Fuente: Elaboración propia]. A columna=. P servicio '. 0.35 f c. =. 333990 kgf =2650.74 cm2 0.35*280 kgf/cm2. Figura 9.Dimensiones de columna excéntrica (T).. Fuente: Elaboración propia. 28.

(44) 4.5. MUROS DE CORTE Se tomarán los muros de corte en la caja de ascensor, escaleras y en la sección opuesta y simétrica de la caja de escalera. El espesor se considerará de 25 cm, para el ascensor se considerará la propuesta por el plano de arquitectura. 4.6. CISTERNA Para el predimensionamiento de la cisterna, se revisa la norma I.S 0.10, para la determinación de la dotación para viviendas multifamiliares, se tendrá que: Tabla 4. Dotación por número de dormitorios.. Fuente: I.S 0.10 (2018) Además, en la sección 4.2, de la mencionada norma, nos indica en el inciso b): “El almacenamiento de agua en la cisterna o tanque para combatir incendios debe ser por lo menos de 25 m3”. 14 x 4 x 1.2 + 25 = 92.2 m3 Teniendo un área de 28 m2 para la cisterna, se tendrá que: Altura de cisterna =. 92.2 = 3.30 m 28. 4.7. ESTRUCTURACIÓN FINAL Se presenta a continuación una imagen en donde se ha propuesto una estructuración conjunta para someterlo a las cargas y a los análisis sísmicos estático y dinámico.. 29.

(45) Figura 10.Estructuración del piso típico.. Fuente: Elaboración propia Figura 11.Modelo 3D renderizado del edificio.. Fuente: Elaboración propia. 30.

(46) CAPÍTULO V. 31.

(47) CAPÍTULO V 5. METRADO DE CARGAS 5.1. CONSIDERACIONES GENERALES En esta sección se procede a determinar las cargas que tendrá que soportar el edificio, los cuales serán cargas de gravedad (muerta, viva), y cargas laterales (sismo, empuje lateral). Para el metrado de cargas de gravedad se tomará en cuenta a la norma E.020 (cargas) y para las cargas de sismo se tomará en cuenta la norma E.030 (Diseño sismorresistente).. 5.2. METRADO DE CARGAS EN LOSAS Las losas tienen dos funciones principales: o Ser soporte para los habitantes del edificio o Lograr el concepto de diafragma rígido. De tal manera que se analiza las cargas de gravedad ya que la losa transfiere las cargas que provienen de estas a la viga. Carga viva: Se tendrá según la Tabla 1 (Cargas vivas mínimas repartidas) de la E.020, una sobrecarga de 0.2 tonf /m2, para el caso de escalera (0.50 tonf / m2). El sótano (0.25 tonf / m2) y para la azotea (0.10 tonf/m2). Carga muerta: Se tomará en cuenta, el peso propio de la losa, piso terminado. Para el caso de losa aligerada de una dirección se tomará 0.35 tonf/m2; para el piso terminado, 0.10 tonf/m2.. 32.

(48) Para la tabiquería, se tomará la mayor carga que pueda tener en una losa: Figura 12.Área tributaria de la carga de tabiquería.. Fuente: Elaboración propia Peso lineal del muro= γalbañilería x longitud total x altura x espesor del muro longitud total=(3.65 + 4.34 + 0.75 + 0.60 + 0.63) = 9.97 m Peso del muro = 1.90. tonf x 9.97 m x 2.40 m x 0.15 m = 6.82 tonf m3. Área de losa = 26.98 m2 Peso de muro por m2 =. 6.82 = 0.252 tonf/m2 26.98. W muerta: 0.35 + 0.252 + 0.1 = 0.702 tonf/m2 W viva: 0.20 tonf / m2. 33.

(49) 5.3. METRADO DE CARGAS EN VIGAS Se tomará en cuenta los muros perimetrales, alféizares que pueda tener las diferentes vigas, especialmente las perimetrales. Figura 13.Determinación de la carga lineal de los muros perimetrales.. Fuente: Elaboración propia Carga lineal muro= γ albañileria x altura muro x espesor muro = 1.9. tonf x 2.40 m x 0.15 m=0.684 tonf / m m3. 34.

(50) CAPÍTULO VI. 35.

(51) CAPÍTULO VI 6. ANÁLISIS SISMICO 6.1. CONSIDERACIONES GENERALES Luego de haber propuesto la estructuración para el edificio y haberlo modelado en un software, se debe comprobar si esta propuesta cumple con las derivas permisibles según la norma E030 de Diseño Sismorresistente. El análisis sísmico estático determinará: o El sistema estructural real del edificio: muros, dual o porticado. o Regularidad estructural o Comparación del Cortante estático con el Cortante dinámico El análisis modal determinará si la estructuración propuesta tendrá un comportamiento correcto por medio de los modos de vibración del edificio, bajo la consideración que el primer modo y el segundo sean traslacionales, y el tercer modo, rotacional. Si fuese el caso que sale torsión en el primer o segundo modo, indica que está mal estructurado, por lo tanto, se debe corregir. 6.2. ANÁLISIS SÍSMICO ESTÁTICO Parámetros sísmicos Se tendrá los siguientes datos: Factor de zona: Ya que la ubicación es en el distrito de Cerro Colorado (Provincia Arequipa), se encuentra en la Zona 3. Factor de uso: Siendo un edificio multifamiliar, pertenece a la categoría C, teniendo un valor de 1. Factor suelo: Según el Estudio de Mecánica de Suelos, se tendrá:. 36.

(52) Tabla 5.Datos de factor de suelo del Estudio de Mecánica de Suelos. Perfil Tipo de suelo. Factor de Suelo (S). S2. Periodo Predominante (Ts). 1.15. 0.60. Fuente: E.030 Diseño Sismorresistente (2018) Factor de Reducción sísmica básico (Ro): Teniendo tres tipos básicos de sistema estructural: o Pórticos: No recomendable para este tipo de edificios de más de 7 pisos. Cuando absorben mínimo el 80 % de la fuerza cortante. o Dual: Un sistema mixto de pórticos y muros estructurales (placa), donde los muros absorben entre el 20 % y 70 %. o Muros estructurales: Muros de concreto armado que se encargan mínimo del 80 % de la fuerza cortante. El sistema que se propone será el dual, pero este se deberá comprobar si es el correcto. Por lo cual Ro tendrá un valor de 7, tanto en la dirección X como en Y. Para las irregularidades en planta y altura, inicialmente se tomará un valor de 1. Pero de igual manera se debe determinar el real. Finalmente se tendrá inicialmente: R = Ro * Ia * Ip = 7 * 1 * 1 = 7 Determinación de Coeficiente para estimar el período fundamental del edificio (CT): Tabla 6. Valores de Coeficiente CT según el sistema estructural propuesto. ELEMENTOS RESISTENTES. N°. CT. Pórticos de concreto armado / Acero sin muros. 1. 35. Pórticos/acero con muros en ascensor, escalera. 2. 45. Albañilería/ Dual/Muros estructurales.. 3. 60. Fuente: E.030. Diseño Sismorresistente (2018) Finalmente se tendrá que: Hn: Altura de la superestructura. 37.

(53) Tabla 7. Valores de los factores del edificio respecto a la norma. Z. U. S. Tp (s). Tl. Número de pisos. hn (m). 0.35. 1. 1.15. 0.6. 2. 14. 39.45. Fuente: Elaboración Propia o Período fundamental de vibración inicial: Tanto para la dirección X como para Y, en base a la norma E030: Tn=. hn 39.45 = =0.6575 CT 60. o Factor de amplificación sísmica C: T < Tp Tp < T< TL T > TL. C =2.5 C = 2.5 x. C = 2.5 x. Tp T. Tp x TL T2. Se procede a calcular el valor del factor C para cada dirección: Cx= 2.2814. Cy= 2.2814. o Cálculo de coeficiente “Cetabs, Ketabs”: Se considera como coeficientes extras para el análisis sísmico en el programa Etabs. Este análisis sísmico estático inicial, cuyo objetivo es realizar el análisis modal y determinar los modos de vibración del edificio; para luego realizar los análisis sísmicos estático y dinámico final. Cetabs =. ZUCS 0.35 ∗ 1 ∗ 2.2814 ∗ 1.15 = R 7. Adicionalmente la norma indica (4.5.3. E030), que si se tiene un periodo de vibración mayor a 0.5 s, se deberá calcular un valor del exponente por altura del edificio k x, k y. k = (0.75 + 0.5 T) ≤ 2.0. Resumiendo, se tiene que:. 38.

(54) Tabla 8.Valores de los coeficientes. Coeficiente Cetabs, Ketabs C etabs x:. 0.1312. C etabs y:. 0.1312. k x:. 1.07875. k y:. 1.07875. Fuente: Elaboración propia Análisis modal Se debe verificar que la estructura propuesta tenga un comportamiento aceptable, teniendo en cuenta que los dos primeros modos deben trasladarse en X o en Y, y el tercer modo debe ser rotacional. Se tendrá como UX al factor de participación modal en la dirección X, UY en la dirección Y y finalmente a RZ en la dirección vertical. Por lo tanto, del análisis modal, se tendrá como resultado: Tabla 9. Períodos de vibración para cada dirección. Caso. Modo. Período (s). UX. UY. RZ. Modal. 1. 1.039. 0.018. 0.944. 0.038. Modal. 2. 0.977. 0.619. 0.05. 0.331. Modal. 3. 0.875. 0.363. 0.006. 0.631. Fuente: Elaboración propia Por lo que se tiene que el período fundamental de vibración será: Ty = 1.039 s. Tx = 0.977 s Tercer modo es torsión. A continuación, se presenta los valores finales para ingresar al programa: Tabla 10. Valores para cada dirección. Valores a ingresar al programa para el análisis sísmico estático provisional Dirección. T (s). C. Cetabs. Ketabs. X. 0.977. 1.5353. 0.0883. 1.2385. Y. 1.039. 1.4437. 0.0830. 1.2695. Fuente: Elaboración propia. 39.

(55) Sistema estructural En esta sección se comprobará el sistema estructural dual propuesto, verificando las irregularidades que pueda existir. Irregularidad estructural en altura o Irregularidad de piso blando: Se presenta irregularidad por dos condiciones: -. La primera es cuando la rigidez lateral del entrepiso a analizar es menor al 70 % de la rigidez lateral del entrepiso superior inmediato.. -. La segunda es cuando la rigidez lateral del entrepiso a analizar es menor al 80 % del promedio de las rigideces laterales de los tres entrepisos superiores inmediatos.. Tabla 11.Valores de rigidez lateral para cada entrepiso en la dirección X. Nivel 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 SS. Cortante (tonf) 156.49 313.54 455.77 583.48 696.96 796.59 882.70 955.69 1015.98 1064.10 1100.59 1126.15 1141.61 1148.17 1148.17. Desplazamiento Rigidez (m) lateral 0.0369 4239.83 0.0347 9047.80 0.0323 14122.47 0.0298 19598.80 0.0271 25675.41 0.0244 32625.82 0.0216 40845.00 0.0187 50980.76 0.0159 64071.69 0.0130 81935.49 0.0102 108049.33 0.0075 149813.25 0.0051 226017.20 0.0029 399640.76 0.0011 1062134.97 Fuente: Elaboración propia. 1. 2. No No No No No No No No No No No No No No. No No No No No No No No No No No No. 40.

(56) Tabla 12.Valores de rigidez lateral para cada entrepiso en la dirección Y. Nivel 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 SS. Cortante (tonf) 149.05 298.29 433.12 553.85 660.81 754.42 835.02 903.06 959.01 1003.39 1036.83 1060.03 1073.90 1079.65 1079.65. Desplazamiento Rigidez (m) lateral 0.0419 3555.90 0.0396 7540.13 0.0370 11692.99 0.0343 16128.29 0.0315 21002.18 0.0284 26521.08 0.0253 32967.12 0.0221 40847.70 0.0188 50975.67 0.0155 64852.00 0.0122 85216.21 0.0090 117728.95 0.0060 177562.93 0.0034 316892.75 0.0012 872094.99 Fuente: Elaboración propia. 1. 2. No No No No No No No No No No No No No No. No No No No No No No No No No No No. o Irregularidad piso débil --- resistencia: Se presentará este tipo de irregularidad, cuando la resistencia al corte del entrepiso a analizar sea menor a 80% de la resistencia del entrepiso inmediato superior.. 41.

(57) DIRECCIÓN X: Tabla 13.Valores de la cortante en cada entrepiso en dirección X (tonf). Nivel. Cortante (tonf). 80 % Cortante. Irregularidad. 14. 156.49. 125.19. No. 13. 313.54. 250.83. No. 12. 455.77. 364.62. No. 11. 583.48. 466.78. No. 10. 696.96. 557.57. No. 9. 796.59. 637.27. No. 8. 882.70. 706.16. No. 7. 955.69. 764.55. No. 6. 1015.98. 812.79. No. 5. 1064.10. 851.28. No. 4. 1100.59. 880.47. No. 3. 1126.15. 900.92. No. 2. 1141.61. 913.29. No. 1. 1148.17. 918.53. No. SS. 1148.17. 918.53. No. Fuente: Elaboración propia. 42.

(58) DIRECCIÓN Y Tabla 14.Valores de la cortante en cada entrepiso en dirección Y (tonf). Nivel. Cortante (tonf). 80 % Cortante. Irregularidad. 14. 149.05. 119.24. No. 13. 298.29. 238.64. No. 12. 433.12. 346.50. No. 11. 553.85. 443.08. No. 10. 660.81. 528.65. No. 9. 754.42. 603.53. No. 8. 835.02. 668.02. No. 7. 903.06. 722.45. No. 6. 959.01. 767.20. No. 5. 1003.39. 802.71. No. 4. 1036.83. 829.46. No. 3. 1060.03. 848.03. No. 2. 1073.90. 859.12. No. 1. 1079.65. 863.72. No. SS. 1079.65. 863.72. No. Fuente: Elaboración propia Teniendo resistencias de entrepiso mayores al 80 % de la resistencia del entrepiso inmediato superior en cada dirección, se concluye que no existe irregularidad por piso débil. o Irregularidad de masa Se presenta este tipo de irregularidad cuando la masa del piso analizado sea mayor a 1.5 veces la masa del piso adyacente.. 43.

Figure

Tabla 3. Cálculo de carga tributaria para columna excéntrica.

Tabla 3.

Cálculo de carga tributaria para columna excéntrica. p.43
Figura 13.Determinación de la carga lineal de los  muros perimetrales.

Figura 13.Determinación

de la carga lineal de los muros perimetrales. p.49
Tabla 9. Períodos de vibración para cada dirección.

Tabla 9.

Períodos de vibración para cada dirección. p.54
Tabla 13.Valores de la cortante en cada entrepiso en dirección X (tonf).

Tabla 13.Valores

de la cortante en cada entrepiso en dirección X (tonf). p.57
Tabla 14.Valores de la cortante en cada entrepiso en dirección Y (tonf).

Tabla 14.Valores

de la cortante en cada entrepiso en dirección Y (tonf). p.58
Tabla 16.Valores de las derivas de cada entrepiso en dirección X.

Tabla 16.Valores

de las derivas de cada entrepiso en dirección X. p.60
Figura 16.Ingreso de valores de aceleración horizontal y vertical.

Figura 16.Ingreso

de valores de aceleración horizontal y vertical. p.66
Tabla 27.Derivas inelásticas X.

Tabla 27.Derivas

inelásticas X. p.71
Figura 19.Determinación del ángulo y desplazamiento relativo del  soporte de disipador de energía

Figura 19.Determinación

del ángulo y desplazamiento relativo del soporte de disipador de energía p.85
Tabla 44.Valores de desplazamientos relativos producidos por el modo 1 en Y.

Tabla 44.Valores

de desplazamientos relativos producidos por el modo 1 en Y. p.88
Tabla 45.Cálculo de factores en X-Y.

Tabla 45.Cálculo

de factores en X-Y. p.89
Figura 21.Ingreso de las propiedades no lineales de los disipadores Y.

Figura 21.Ingreso

de las propiedades no lineales de los disipadores Y. p.91
Tabla 47.Cuadro de derivas inelásticas del ATHNL Y.

Tabla 47.Cuadro

de derivas inelásticas del ATHNL Y. p.94
Figura 26.Comportamiento histerético K89.

Figura 26.Comportamiento

histerético K89. p.96
Figura 27.Balance energético.

Figura 27.Balance

energético. p.97
Tabla 49.Fuerza en los disipadores en los ejes 1 y 6.

Tabla 49.Fuerza

en los disipadores en los ejes 1 y 6. p.99
Tabla 50.Fuerza en los disipadores en los ejes A y F.

Tabla 50.Fuerza

en los disipadores en los ejes A y F. p.100
Tabla 51.Cuadro resumen de la cantidad de disipadores según el tipo de Fuerza.

Tabla 51.Cuadro

resumen de la cantidad de disipadores según el tipo de Fuerza. p.101
Tabla 52.Tabla de modos, períodos y masa participativa con disipadores.

Tabla 52.Tabla

de modos, períodos y masa participativa con disipadores. p.102
Figura 29.(a) Curva histerética de K41, (b) Elevación del eje 1 que contiene el disipador K41

Figura 29.(a)

Curva histerética de K41, (b) Elevación del eje 1 que contiene el disipador K41 p.103
Tabla 54.Características de la placa base según el tipo de disipador.

Tabla 54.Características

de la placa base según el tipo de disipador. p.105
Tabla 59.Dimensiones del perfil de la viga de acero W 27 x 84.

Tabla 59.Dimensiones

del perfil de la viga de acero W 27 x 84. p.118
Figura 39.Diseño de losa aligerada del paño A.

Figura 39.Diseño

de losa aligerada del paño A. p.122
Figura 44.Esfuerzos y deformaciones en etapa balanceada para una sección rectangular.

Figura 44.Esfuerzos

y deformaciones en etapa balanceada para una sección rectangular. p.130
Figura 45.Resistencia al corte proporcionado por el concreto y el acero.

Figura 45.Resistencia

al corte proporcionado por el concreto y el acero. p.132
Tabla 66.Cargas y momentos resultantes de las combinaciones NS-4.

Tabla 66.Cargas

y momentos resultantes de las combinaciones NS-4. p.139
Tabla 68.Valores de coeficiente de fricción según el tipo de concreto.

Tabla 68.Valores

de coeficiente de fricción según el tipo de concreto. p.144
Figura 51.Placa PL-4.

Figura 51.Placa

PL-4. p.150
Figura 56.Esfuerzos actuantes sobre la platea de cimentación.

Figura 56.Esfuerzos

actuantes sobre la platea de cimentación. p.159
CUADRO DE VANOS: PUERTAS

CUADRO DE

VANOS: PUERTAS p.192

Referencias

Actualización...

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