Análisis de los sistemas de arriostramiento concéntrico y excéntrico para pórticos resistentes a momento en una estructura existente de 4 pisos

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(1)ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE ARRIOSTRAMIENTO CONCÉNTRICO Y EXCÉNTRICO PARA PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO EN UNA ESTRUCTURA EXISTENTE DE 4 PISOS.. DIEGO FERNANDO ORTIZ RAMÍREZ RIKARDO HUMBERTO VALENZUELA OBANDO. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2018.

(2) ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE ARRIOSTRAMIENTO CONCÉNTRICO Y EXCÉNTRICO PARA PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO EN UNA ESTRUCTURA EXISTENTE DE 4 PISOS.. DIEGO FERNANDO ORTIZ RAMÍREZ RIKARDO HUMBERTO VALENZUELA OBANDO. Trabajo de investigación para optar por el título de Ingeniería Civil. Director de Tesis:. Rodolfo Felizzola Contreras Ingeniero Civil. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2018.

(3) NOTA DE ACEPTACIÓN: _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________. ________________________________ Firma Director de Tesis. ________________________________ Firma Jurado.

(4) AGRADECIMIENTOS.. En el presente trabajo se agradece a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por brindarnos la oportunidad de adquirir una formación profesional de alta calidad académica y humana. Agradecer al Ingeniero Rodolfo Felizzola Contreras por su invaluable colaboración en este proceso, guiándonos a través de su conocimiento y la dedicación de su tiempo de la manera más amable para clarificar nuestras dudas. También agradecer especialmente a nuestras familias por su continuo apoyo en nuestra formación académica y personal, además reconocer a muchas personas que hicieron posible el alcance de esta meta tan importante en nuestras vidas y que no alcanzan a ser totalmente gratificadas en este trabajo. Finalmente agradecer a Dios por su infinita presencia en cada uno de nuestros actos, que permitió formarnos como personas de bien y aportar nuestros conocimientos al continuo mejoramiento de la calidad humana..

(5) TABLA DE CONTENIDO. INTRODUCCIÓN. 3. 1.. 4. PRESENTACIÓN. 1.1. RESUMEN DE LA PROPUESTA 1.2. IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 1.3. JUSTIFICACIÓN. 4 5 5. 1.4. ALCANCES 1.5. INTERROGANTE (HIPÓTESIS). 6 7. 2.. 8. OBJETIVOS. 2.1.. OBJETIVO GENERAL. 8. 2.2.. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 8. 3.. MARCO DE REFERENCIA. 9. 3.1.. MARCO GEOGRÁFICO. 3.2.. MARCO DEMOGRÁFICO. 12. 3.3.. MARCO DE ANTECEDENTES. 12. 3.4.. MARCO TEÓRICO. 18. 4.. DISEÑO METODOLÓGICO. 9. 27. 4.1.. TIPO DE INVESTIGACIÓN. 27. 4.2.. POBLACIÓN. 27. 4.3.. MUESTRA. 27. 4.4.. VARIABLES. 27.

(6) 4.5. PARÁMETROS DE EVALUACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS 4.6. CRITERIOS PARA LA EVALUACIÓN DE LA CONDICIÓN ESTRUCTURAL 5.. ACTIVIDADES. 28 32 40. 5.1.. DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES. 40. 5.2.. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES. 41. 6.. COMPONENTES DEL MODELO EN ETABS. 42. 6.1.. PLANTAS Y FACHADAS. 42. 6.2.. PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS. 49. 6.3.. AVALÚO DE CARGAS. 49. 6.4.. ESPECTRO DE DISEÑO. 54. 6.5.. COMBINACIONES DE CARGA. 69. 6.5.1. NOTIONAL LOADS, (CARGAS FICTICIAS). 71. 6.6.. GRAFICAS DEL MODELO. 72. RESULTADOS OBTENIDOS. 78. 7. 7.1.. DERIVAS PRODUCIDAS PARA MODELO CONCÉNTRICO. 78. 7.2.. DERIVAS PRODUCIDAS PARA MODELO EXCÉNTRICO. 84. 7.3. ELEMENTOS DE ANÁLISIS DE DISEÑO PARA MODELO CONCÉNTRICO CON CAPACIDAD DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA MODERADA.. 88. 7.4. ELEMENTOS DE ANÁLISIS DE DISEÑO PARA MODELO CONCÉNTRICO CON CAPACIDAD DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA ESPECIAL. 92 7.5. ELEMENTOS DE ANÁLISIS DE DISEÑO PARA MODELO EXCÉNTRICO CON CAPACIDAD DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA MODERADA. 96.

(7) 7.6. ELEMENTOS DE ANÁLISIS DE DISEÑO PARA MODELO EXCÉNTRICO CON CAPACIDAD DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA ESPECIAL. 100 8. 8.1.. ANÁLISIS COMPARATIVO DERIVAS. 104 104. 8.2. ELEMENTOS ESTRUCTURALES. 108. 9.. 112. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. BIBLIOGRAFÍA. 114. ANEXOS. 116.

(8) LISTA DE TABLAS. TABLA 1. DISTRIBUCIÓN DE ÁREAS POR UPZ DE LA LOCALIDAD DE ENGATIVÁ.. 9. TABLA 2. INFLUENCIA DE EXCENTRICIDAD EN EL PERIODO.. 21. TABLA 3. COEFICIENTES LA CURVA DE DISEÑO.. 33. TABLA 4. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES.. 41. TABLA 5. CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS ELEMENTOS UTILIZADOS.. 49. TABLA 6. AVALUÓ DE CARGAS DEL PROYECTO.. 53. TABLA 7. PARÁMETROS DE DISEÑO DEL ESPECTRO DE DISEÑO.. 54. TABLA 8. TABLA DE ACELERACIÓN PICO-EFECTIVA DE ACUERDO AL PERIODO DE DISEÑO. 55. TABLA 9. DERIVAS MÁXIMAS. 60. TABLA 10. IRREGULARIDAD EN PLANTA PISO 1.. 60. TABLA 11. IRREGULARIDAD EN PLANTA MAZZANINE.. 61. TABLA 12. IRREGULARIDAD EN PLANTA PISO 2.. 61. TABLA 13. IRREGULARIDAD EN PLANTA PISO 3.. 62. TABLA 14. COEFICIENTE DE CAPACIDAD DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA PARA CAPACIDAD MODERADA DE DISIPACIÓN 65 TABLA 15. TABLA DE ACELERACIÓN PICO-EFECTIVA DE ACUERDO AL PERIODO DE DISEÑO CON EL COEFICIENTE DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA PARA CAPACIDAD MODERADA DE DISIPACIÓN.. 65. TABLA 16. COEFICIENTE DE CAPACIDAD DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA PARA CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACIÓN 68 TABLA 17. TABLA DE ACELERACIÓN PICO-EFECTIVA DE ACUERDO AL PERIODO DE DISEÑO CON EL COEFICIENTE DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA PARA CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA. 68.

(9) TABLA 18. COMBINACIONES DE CARGAS UTILIZADAS EN EL SOFTWARE ETABS 70 TABLA 19. DESPLAZAMIENTOS PRODUCIDOS PARA ELEMENTOS ESPECÍFICOS EN MODELO CONCÉNTRICO DESDE LA BASE (1). 79. TABLA 20. DESPLAZAMIENTOS PRODUCIDOS PARA ELEMENTOS ESPECÍFICOS EN MODELO CONCÉNTRICO DESDE LA BASE (2). 80. TABLA 21. DERIVAS PRODUCIDAS ENTRE PISOS PARA ELEMENTOS ESPECÍFICOS EN MODELO CONCÉNTRICO (1). 82. TABLA 22. DERIVAS PRODUCIDAS ENTRE PISOS PARA ELEMENTOS ESPECÍFICOS EN MODELO CONCÉNTRICO (2). 83. TABLA 23. DESPLAZAMIENTOS PRODUCIDOS PARA ELEMENTOS ESPECÍFICOS EN MODELO EXCÉNTRICO DESDE LA BASE (1). 84. TABLA 24. DESPLAZAMIENTOS PRODUCIDOS PARA ELEMENTOS ESPECÍFICOS EN MODELO EXCÉNTRICO DESDE LA BASE (2). 85. TABLA 25. DERIVAS PRODUCIDAS ENTRE PISOS PARA ELEMENTOS ESPECÍFICOS EN MODELO EXCÉNTRICO (1). 86. TABLA 26. DERIVAS PRODUCIDAS ENTRE PISOS PARA ELEMENTOS ESPECÍFICOS EN MODELO EXCÉNTRICO (2). 87. TABLA 27. ANÁLISIS DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE PISO 3 CON ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN MODERADA DE ENERGÍA. 88 TABLA 28. ANÁLISIS DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE PISO 2 CON ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN MODERADA DE ENERGÍA. 89 TABLA 29. ANÁLISIS DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE MEZZANINE CON ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN MODERADA DE ENERGÍA.. 90. TABLA 30. ANÁLISIS DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE PISO 1 CON ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN MODERADA DE ENERGÍA. 91 TABLA 31. ANÁLISIS DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE PISO 3 CON ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN ESPECIAL DE ENERGÍA. 92.

(10) TABLA 32. ANÁLISIS DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE PISO 2 CON ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN ESPECIAL DE ENERGÍA. 93 TABLA 33. ANÁLISIS DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE MEZZANINE CON ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN ESPECIAL DE ENERGÍA.. 94. TABLA 34. ANÁLISIS DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE PISO 1 CON ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN ESPECIAL DE ENERGÍA. 95 TABLA 35. ANÁLISIS DE ELEMENTOS PISO 3 CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN MODERADA DE ENERGÍA. 96 TABLA 36. ANÁLISIS DE ELEMENTOS PISO 2 CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN MODERADA DE ENERGÍA. 97 TABLA 37. ANÁLISIS DE ELEMENTOS MEZZANINE CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN MODERADA DE ENERGÍA.. 98. TABLA 38. ANÁLISIS DE ELEMENTOS PISO 1 CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN MODERADA DE ENERGÍA. 99 TABLA 39. ANÁLISIS DE ELEMENTOS PISO 3 CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN ESPECIAL DE ENERGÍA. 100 TABLA 40. ANÁLISIS DE ELEMENTOS PISO 2 CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN ESPECIAL DE ENERGÍA. 101 TABLA 41. ANÁLISIS DE ELEMENTOS MEZZANINE CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN ESPECIAL DE ENERGÍA. 102 TABLA 42. ANÁLISIS DE ELEMENTOS PISO 1 CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS Y CAPACIDAD DE DISIPACIÓN ESPECIAL DE ENERGÍA. 103 TABLA 43. COMBINACIONES DE CARGA CON MAYOR AFECTACIÓN EN LA DERIVA ENTRE PISOS PARA ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS. 105.

(11) TABLA 44. COMBINACIONES DE CARGA CON MAYOR AFECTACIÓN EN LA DERIVA ENTRE PISOS PARA ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS. 106 TABLA 45. DERIVA MÁXIMA SEGÚN PISO.. 107. TABLA 46. ELEMENTOS DE ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA CON CAPACIDAD DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA MODERADA 109 TABLA 47. ELEMENTOS DE ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA CON CAPACIDAD DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA ESPECIAL 110.

(12) LISTA DE ILUSTRACIONES. ILUSTRACIÓN 1. MAPA DE LOCALIDADES, BOGOTÁ D.C.. 10. ILUSTRACIÓN 2. FACHADA OBRA DE LA DIAN.. 11. ILUSTRACIÓN 3. LOCALIZACIÓN EN PLANTA OBRA DE LA DIAN.. 11. ILUSTRACIÓN 4. PÓRTICOS RETICULADO EN X Y PÓRTICO NO ARRIOSTRADO. 12. ILUSTRACIÓN 5. MECANISMO DE DEFORMACIÓN PLÁSTICA.. 13. ILUSTRACIÓN 6. PÓRTICOS CON ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS.. 14. ILUSTRACIÓN 7. TIPOS DE PANDEO.. 17. ILUSTRACIÓN 8. ZONAS DE AMENAZA SÍSMICA APLICABLE A EDIFICACIONES PARA LA NSR-10 EN FUNCIÓN DE LA ACELERACIÓN PICO-EFECTIVA (AA) Y VELOCIDAD PICO-EFECTIVA(AV). 36 ILUSTRACIÓN 9. VALORES DEL COEFICIENTE DE IMPORTANCIA, I.. 38. ILUSTRACIÓN 10. MEMORIA DE CÁLCULO ESTRUCTURAL POR PARTE DE LA UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA. 39 ILUSTRACIÓN 11. CARGAS MUERTAS MÍNIMAS DE ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES HORIZONTALES — PISOS. 49. ILUSTRACIÓN 12. CARGAS MUERTAS MÍNIMAS DE ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES HORIZONTALES – CIELO RASO. 50. ILUSTRACIÓN 13. CARGAS MUERTAS MÍNIMAS DE ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES VERTICALES – MUROS. 50. ILUSTRACIÓN 14. CARGAS MUERTAS MÍNIMAS DE ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES VERTICALES – VENTANAS. 51. ILUSTRACIÓN 15. CARGAS VIVAS MÍNIMAS UNIFORMEMENTE DISTRIBUIDAS.. 51. ILUSTRACIÓN 16. CARGAS VIVAS MÍNIMAS EN CUBIERTAS. 52. ILUSTRACIÓN 17. CARACTERÍSTICAS DEL PERFIL GEOMÉTRICO DE LÁMINA EN STEEL DECK. 52.

(13) ILUSTRACIÓN 18. SISTEMA ESTRUCTURAL DE PÓRTICO RESISTENTE A MOMENTOS 57 ILUSTRACIÓN 19. FACTOR DE REDUCCIÓN DE RESISTENCIA POR AUSENCIA DE REDUNDANCIA. 58. ILUSTRACIÓN 20. IRREGULARIDADES EN PLANTA. 63. ILUSTRACIÓN 21. IRREGULARIDADES EN LA ALTURA. 64. ILUSTRACIÓN 22. SISTEMA ESTRUCTURAL DE PÓRTICO RESISTENTE A MOMENTOS 67 ILUSTRACIÓN 23. COMBINACIONES DE CARGA BÁSICAS. ILUSTRACIÓN 24. DERIVAS MÁXIMAS COMO PORCENTAJE DE HPI.. 69 107.

(14) LISTA DE FIGURAS. FIGURA 1. PANDEO LOCAL. 18 FIGURA 2. TIPOS DE MARCOS CON ARRIOSTRAMIENTO CONCÉNTRICO. 19 FIGURA 3. TIPOS DE MARCOS CON ARRIOSTRAMIENTO EXCÉNTRICO. 20 FIGURA 4. EXCENTRICIDAD EN ARRIOSTRAMIENTO. 21 FIGURA 5. PÓRTICOS CON DIAGONALES CONCÉNTRICAS. 22 FIGURA 6. PLANTEAMIENTO DEL PANDEO RESTRINGIDO. 24 FIGURA 7. DIFERENTES TIPOS DE CONFIGURACIONES EN SISTEMAS DE CBF. 26 FIGURA 8. ESTRUCTURA METÁLICA EN ESTADO DE ABANDONO. 30 FIGURA 9. PERNOS DE ANCLAJE CORROÍDOS Y SUMERGIDOS BAJO EL AGUA. 32 FIGURA 10. ESPECTRO ELÁSTICO DE ACELERACIONES DE DISEÑO COMO FRACCIÓN DE “G”. 33FIGURA 11. VALOR DE AA Y AV PARA LAS CIUDADES CAPITALES DE DEPARTAMENTO. 35 FIGURA 12. CLASIFICACIÓN DE LOS PERFILES DE SUELO 38.

(15) LISTA DE GRÁFICAS. GRÁFICA 1. DETALLES EN CORTE DE ARRIOSTRAMIENTOS EXISTENTES. 42 GRÁFICA 2. DETALLES PLANTA TÍPICA MEZZANINE, PISO 2 Y PISO 3.. 43. GRÁFICA 3. DETALLES PLANTA CUBIERTA.. 44. GRÁFICA 4. ESPECTRO DE ACELERACIONES DE DISEÑO PARA DERIVAS. 56 GRÁFICA 5. ESPECTRO DE ACELERACIÓN CON COEFICIENTE DE DISIPACIÓN PARA CAPACIDAD MODERADA DE ENERGÍA.. 66. GRÁFICA 6. ESPECTRO DE ACELERACIÓN CON COEFICIENTE DE DISIPACIÓN PARA CAPACIDAD ESPECIAL DE ENERGÍA.. 69. GRÁFICA 7. MODELO EN SOFTWARE ETABS; PLANTA Y TRIDIMENSIONAL. 73 GRÁFICA 8. MODELO TRIDIMENSIONAL CON LOCALIZACIÓN DE LOS ARRIOSTRAMIENTOS.. 74. GRÁFICA 9. CORTE POR EJES EN ZONA DE ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS.. 75. GRÁFICA 10. CORTE POR EJES EN ZONA DE ARRIOSTRAMIENTOS EXCÉNTRICOS.. 75. GRÁFICA 11. CORTE POR EJES EN ZONA DE ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS.. 76. GRÁFICA 12. CORTE POR EJES EN ZONA DE ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS.. 77. GRÁFICA 13. PLANTA TIPO PISO. 78.

(16) LISTA DE IMÁGENES. IMAGEN 1. PANORÁMICO DE ESTRUCTURA. IMAGEN 2. DETALLE TÍPICO PLACA DE ENTREPISO Y ARRIOSTRAMIENTO IMAGEN 3. DETALLE ARRIOSTRAMIENTO EJE J (16 – 17) IMAGEN 4. DETALLE ELEMENTOS ESTRUCTURALES MEZZANINE IMAGEN 5. DETALLE ARRIOSTRAMIENTO EJE 12 (N – Ñ) IMAGEN 6. DETALLE ARRIOSTRAMIENTO EJE N (20 – 22) PISO 3 IMAGEN 7. DETALLE PLACA DE ENTREPISOS EN STEEL DECK IMAGEN 8. ANÁLISIS IRREGULARIDAD EN PLANTA. IMAGEN 9. NOTIONAL LOADS (CARGAS FICTICIAS). 45 46 46 47 47 48 48 59 72.

(17) INTRODUCCIÓN. El análisis comparativo entre dos sistemas estructurales de diferente configuración, acorde a una misma estructura de estudio, constituye la definición e interpretación de características de gran influencia en cuanto al desempeño y funcionalidad de proyectos en estructura metálica, es así como se asocia la posibilidad de generar un documento teórico-práctico donde se incluyan deducciones que refuercen investigaciones y proyectos. vinculando el desarrollo de estructuras con mejores condiciones de funcionamiento estructural. Para generar adecuadamente el análisis comparativo, es necesario mencionar la ausencia de estudios preliminares respecto al enfoque especifico que requiere el desarrollo del proyecto, aunque esto no asocia ningún tipo de limitación teórica, que genere dificultades. Relaciona la vinculación de menor cantidad de información que ayudaría a reforzar los conceptos a profundizar. El desarrollo del presente proyecto comprende la implementación de un software informático (ETABS), a través del cual se realizará la modelación respectiva de las características asociadas a la estructura metálica existente de 4 pisos ubicada en la ciudad de Bogotá, generando los cambios correspondientes en las especificaciones de cada modelación. Con el fin de incorporar cualidades específicas de cada sistema de arriostramiento entorno a la capacidad de disipación de energía. Las características más significativas que rodean el ámbito del presente proyecto, están vinculadas al fomento de continuos análisis que demuestren la importancia del conocimiento del desempeño estructural, frente a la incorporación de diferentes modelos, que manejen características similares, pero configuraciones constructivas distintas. Las configuraciones a contemplar en el proyecto de investigación están basadas en el modelamiento a través del software de una estructura existente con dos tipos de arriostramientos (concéntrico y excéntrico), evaluando para cada sistema el comportamiento mecánico en cuanto a la ductilidad que generan estos elementos rigidizadores a toda la estructura ante un evento sísmico. De igual manera para cada tipo de arriostramiento se analizarán características de pórticos resistentes a momentos con capacidad moderada y especial de disipación de energía, pero con el enfoque de un análisis de la ductilidad generada; buscando definir la más óptima en los casos específicos.. 3.

(18) 1.. 1.1.. PRESENTACIÓN. RESUMEN DE LA PROPUESTA. El planteamiento del documento tiene como principal objetivo realizar el análisis comparativo del desempeño de un sistema de arriostramiento concéntrico frente a uno excéntrico en una estructura metálica de cuatro (4) pisos, para pórticos resistentes a momentos con capacidad moderada (DMO) y especial (DES) de disipación de energía, sin considerar el estudio asociado a las conexiones. Como punto de partida del análisis se realizará una caracterización especifica de estructuras metálicas que implementan un solo sistema de arriostramiento (concéntrico o excéntrico), con el fin de establecer propiedades generales teóricas que rigen cada método. A través de las propiedades de diseño y desempeño establecidas para cada sistema, se generará una comparación, en la cual se vincularán características que rigen de igual y diferente manera a la estructura metálica (economía, ductilidad), con el fin de definir la interacción de cada sistema, asociándolas a las propiedades de la estructura y su comportamiento. El desarrollo del análisis está enfocado a relacionar el grado de desempeño de la estructura con respecto al uso de los dos sistemas de arriostramientos. Equiparando y contrastando las ventajas y desventajas de cada método. Al vincular la interacción de diferentes metodologías que afectan las estructuras metálicas, se asocia la posibilidad de contribuir al desarrollo de mejores procedimientos de diseño, fundamentados en comparaciones que garantizaran la elección e interrelación de los sistemas adecuados de arriostramientos para estructuras metálicas. Al realizar este análisis comparativo entre los dos sistemas de arriostramiento se pretende obtener como respuesta; cual tiene un mayor desempeño, para ello se realizará el modelamiento de la estructura que integrará cargas horizontales que eventualmente podría sufrir la estructura; evaluándola a través del sistema de pórticos resistentes a momento con capacidad de energía moderada (DMO) y especial (DES). Se resalta que para el desarrollo del proyecto no se valorara el tipo de conexiones que rigen los sistemas de arriostramientos concéntricos y excéntricos, de esta. 4.

(19) manera se indica que ambos sistemas estarán directamente conectados a los nudos por medio de pernos o soldadura. 1.2.. IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA. La contribución y mejoramiento de las propiedades de las estructuras metálicas que ofrecen los sistemas de arriostramientos, en ocasiones se estiman en un plano secundario, generando procesos que involucran el desarrollo de construcciones que integran conjuntos estructurales con bajas condiciones de funcionamiento. La interacción de los sistemas involucra características que protegen la estructura y generan que las propiedades se articulen apropiadamente. Pero el proceso requiere la formación de un análisis enfocado a determinar el desempeño del uso de diferentes metodologías, en esta situación específica para sistemas concéntricos y excéntricos de arriostramientos para una estructura metálica de cuatro pisos. Sobre la base de las consideraciones anteriormente expuestas, la implementación de arriostramientos concéntricos y excéntricos en estructuras metálicas, vincula la posibilidad de generar caracterizaciones específicas entorno al comportamiento del uso de cada método, más allá de una descripción individual, la importancia de relacionar y plantear las diferencias que brinda cada sistema entorno al grado de desempeño es un punto de referencia del cual no se han generado análisis de profundidad. Es evidente entonces, que la generación de un análisis comparativo que vincule los dos sistemas, establecerá amplias posibilidades a proyectos constructivos que involucren estructuras metálicas con sistema de pórticos resistentes a momentos, con el fin de escoger el mejor procedimiento, aunque es de resaltar que para el desarrollo del proyecto se vincularan características de diseño, comportamiento y desempeño, para contribuir en procesos que involucren específicamente los métodos anteriormente mencionados.. 1.3.. JUSTIFICACIÓN. Muchos de los análisis sobre la implementación de sistemas de arriostramientos concéntricos y excéntricos en estructuras metálicas están asociados a la descripción de las características y propiedades específicas para cada método, pero vinculan de manera modesta la diferenciación que existe entorno al desempeño que. 5.

(20) rige la aplicación de cada sistema, indicando que no existe la facilidad de correlacionar un sistema con el otro. El análisis comparativo entre el sistema de arriostramiento concéntrico y excéntrico para una estructura metálica de cuatro pisos existente, generará fundamentos enfocados a la adecuada conformación de estructuras que estén sujetas a características específicas de procesos de desempeño y asocien la elección de una metodología sobresaliente que contribuya de manera notable al mejoramiento de las propiedades mecánicas del sistema. El desarrollo de un análisis comparativo que vincule la posibilidad de conocer el desempeño de sistemas de arriostramientos (concéntrico o excéntrico) en una estructura metálica y además modelada, contribuirá a la capacidad de elección por parte de profesionales del mejor diseño, que brinde y cumpla las características deseadas de funcionalidad de la edificación. El impacto asociado a la finalidad del desarrollo del proyecto está enmarcado en generar un análisis que interprete adecuadamente el desempeño de un sistema frente al otro, pero teniendo presente la adecuada interacción del componente práctico y teórico que rige el uso de los sistemas de arriostramiento concéntrico y excéntrico en estructuras metálicas. También el desarrollo del proyecto está vinculado de manera indirecta a la posibilidad de generar procesos más económicos o con mejor planeación presupuestal, entorno al incremento de proyectos de estructuras metálicas que integren estos sistemas. Al realizar un estudio enfocado hacia una estructura metálica existente, se genera la posibilidad de realizar recomendaciones prácticas, que asocian la oportunidad de asistir a proyectos en desarrollo o para procesos de planeación, tanto para la parte de diseño como para contribuir al mejoramiento de propiedades mecánicas del sistema de arriostramiento elegido (ejemplo: ductilidad). Con el fin de reducir posibles inconvenientes en la construcción de la estructura que en ocasiones no se consideran durante una planificación teórica. 1.4.. ALCANCES. El estudio resultante del desarrollo del presente proyecto, podrá ser usado por estudiantes, tecnólogos e ingenieros asociados a las construcciones civiles que vinculen proyectos de estructuras metálicas que manejen sistemas de arriostramientos concéntricos y excéntricos, además de toda aquella persona que pueda beneficiarse del contenido del mismo; para llevar a cabo estudios 6.

(21) estructurales que interpreten y busquen la posibilidad de conocer un sistema que brinde mejor desempeño en su implementación frente a otro. La posibilidad de mejoramiento en la calidad de los diseños y construcción de estructuras metálicas que manejen sistemas de arriostramientos excéntricos y concéntricos a través de la medición del desempeño en un análisis comparativo, integra la oportunidad de crecimiento en este sector que tradicionalmente no es utilizado, debido al desconocimiento de las ventajas y oportunidades de la inclusión de modelos constructivos novedosos y funcionales. En cuanto a los resultados del análisis comparativo, se vincula la posibilidad de retomarlos con el fin de continuar el estudio del desempeño de los sistemas de arriostramientos y su funcionalidad frente a la implementación en estructuras metálicas, para sistemas que involucren pórticos resistentes a momentos con capacidad moderada (DMO) y especial (DES) de disipación de energía.. 1.5.. INTERROGANTE (HIPÓTESIS). ¿Cuál sistema de arriostramiento (excéntrico o concéntrico) tiene mejor desempeño en una estructura metálica de cuatro pisos existente, que maneja el sistema de pórticos resistentes a momentos con capacidad moderada (DMO) y especial (DES) de disipación de energía?. 7.

(22) 2. 2.1.. OBJETIVOS. OBJETIVO GENERAL. Analizar el desempeño de la implementación de un sistema de arriostramiento concéntrico frente al uso de un sistema excéntrico en una estructura metálica de cuatro pisos existente, con el sistema de pórticos resistentes a momentos con capacidad moderada (DMO) y especial (DES) de disipación de energía. 2.2. . . . OBJETIVOS ESPECÍFICOS Definir qué sistema de arriostramientos (excéntrico o concéntrico) tiene mayor desempeño para la estructura metálica de cuatro pisos, considerando que no se vinculan conexiones especiales a los nudos. Determinar características específicas resultantes del análisis modelado a través de la incorporación del software (ETABS), que rigen el sistema de arriostramiento concéntrico y excéntrico en la estructura metálica. Realizar el análisis comparativo de los sistemas de arriostramientos en la estructura metálica, teniendo en cuenta parámetros establecidos para la capacidad moderada (DMO) y especial (DES) de disipación de energía.. 8.

(23) 3.. 3.1.. MARCO DE REFERENCIA. MARCO GEOGRÁFICO. La estructura metálica existente correspondiente al presente análisis comparativo se encuentra situada en la localidad de Engativá; La cual se sitúa en el sector noroccidental de Bogotá, limita al norte con la localidad de Suba (11), con el río Juan Amarillo y el Humedal Jaboque de por medio; al oriente con las localidades de Barrios Unidos (12) y Teusaquillo (13) , con la Avenida del Congreso Eucarístico (AK 68) de por medio; al sur con la localidad de Fontibón (9), con las Avenidas José Celestino Mutis y Jorge Eliécer Gaitán de por medio; y al occidente con los municipios de Cota y Funza, con el río Bogotá de por medio. Engativá ocupa el décimo lugar en superficie entre las localidades del Distrito Capital. Se encuentra subdividida en nueve UPZ; siendo la UPZ 74 Engativá la que contiene la mayor participación en suelo, 16,4% equivalentes a 587,6 hectáreas; por su parte, la UPZ Garcés Navas, representa el 15,47% (555 hectáreas), la UPZ Bolivia representa el 13.22% del territorio de la localidad, equivalente a 474,5 hectáreas. El suelo restante, es decir 1970,9 hectáreas, lo ocupan las restantes 6 UPZ de la localidad.. Tabla 1. Distribución de áreas por UPZ de la localidad de Engativá.. Fuente: https://www.catastrobogota.gov.co. 9.

(24) En el siguiente mapa se ubica la localidad de Engativá en el Distrito Capital de Bogotá, con sus respectivos límites. Ilustración 1. Mapa de localidades, Bogotá D.C.. Fuente: https://www.catastrobogota.gov.co. Específicamente la estructura metálica objeto del presente estudio corresponde a la ejecución de un proyecto por parte de la DIAN (Dirección de impuestos y Aduanas Nacionales), la zona específica asociada a la estructura existente se encuentra junto a algunas bodegas del sector y próxima al aeropuerto El Dorado, ubicada en la UPZ 116 de Álamos, sede del laboratorio científico especializado de la DIAN, ubicado en la Calle 65 Bis No. 88-81; En donde también se realizan proyectos de reforzamiento de estructuras existentes y ejecución de nuevas edificaciones.. 10.

(25) Ilustración 2. Fachada obra de la DIAN.. Fuente: Propia. Ilustración 3. Localización en planta obra de la DIAN.. Fuente: Propia. 11.

(26) 3.2.. MARCO DEMOGRÁFICO. Para la comunidad aledaña se verán ciertos beneficios como lo son mayor competitividad comercial y económica ante este tipo de uso del suelo, que ya en esta zona de la UPZ de Álamos se ve marcada desde hace unos años atrás, otro beneficio es la incentivación a la comunidad aledaña (empresas y bodegas) al uso de ciertos mecanismos de energía renovables como es el caso del diseño de los sistemas de red solar térmica, denotando los beneficios que se pueden presentar al utilizar estos. La construcción de esta etapa del proyecto de la DIAN agranda y fortalece la inversión en el sector de grandes empresas dedicadas a los envíos de mercancía al igual que llegada; haciendo y creando nuevas ofertas laborales que pueden ser de los barrios cercanos.. 3.3.. MARCO DE ANTECEDENTES. Los pórticos arriostrados surgieron en el inicio del siglo XX como una alternativa estructural para edificios de mediana y baja altura. La presencia de las barras diagonales (riostras) modifica notablemente el comportamiento del pórtico, dado que se forma una estructura reticulada.. Ilustración 4. Pórticos reticulado en X y Pórtico no arriostrado. Fuente: Diseño sismorresistente de construcciones de acero, Francisco Javier Crisafulli; 2da edición. 12.

(27) Las acciones laterales de viento y sismo inducen en la estructura principalmente esfuerzos axiales de tracción y compresión. Este tipo estructural se caracteriza por una elevada rigidez lateral, lo que permite un adecuado control de los desplazamientos.. Ilustración 5. Mecanismo de deformación plástica.. Fuente: Diseño sismorresistente de construcciones de acero, Francisco Javier Crisafulli; 2da edición. Aunque los pórticos no arriostrados pueden exhibir una respuesta dúctil y estable, son estructuras relativamente flexibles y el diseño usualmente es controlado por las limitaciones de la distorsión de piso. Los pórticos con arriostramientos concéntricos representan una situación inversa, debido a que se caracterizan por una elevada rigidez lateral, pero su comportamiento sismorresistente puede verse afectado por el pandeo de las riostras comprimidas. Es por ello que en la década de 1970 se desarrolló en Japón (Fujimoto, 1972, y Tanabashi, 1974) y en Estados Unidos de América (Popov. 1987 y 1989) un sistema que trata de combinar las ventajas de los dos anteriores, contrarrestando sus debilidades. Así, surgieron los pórticos arriostrados excéntricamente, en los cuales las riostras se disponen deliberadamente de forma tal de generar una excentricidad en la viga.. 13.

(28) Ilustración 6. Pórticos con arriostramientos excéntricos.. Fuente: National Information Service for Earthquake Engineering, EERC, University of California, Berkeley. Donde se inducen esfuerzos de corte y momentos flectores elevados. Estas zonas, llamadas enlaces se diseñan especialmente para disipar energía mientras el resto de los componentes se diseñan para responder esencialmente en rango elástico.. 3.3.1. Pandeo inelástico: Si bien Euler fue el padre de la teoría del pandeo elástico, él no limitó el campo de validez de su fórmula, demostrando así que la interpretación de los fenómenos inelásticos era muy superior a los conocimientos de la época. En una memoria del año 1757 escribió: “todo parece indicar que el momento de rigidez "Ek2 “no está limitado a los cuerpos elásticos. La fórmula concierne a una fuerza (que origina un momento) por medio de la cual la pieza sufre un corrimiento y no tiene ninguna importancia si tal pieza, después de la flexión, requiere o no de una fuerza adicional para retomar su forma primitiva”. Los progresos hacia una mejor interpretación del pandeo en campo no lineal no se desarrollaron por muchos años, debido fundamentalmente a la falta de conocimiento de las relaciones tensión deformación y momento flector-curvatura en el rango inelástico. En 1889 Considere indicó por qué la fórmula de Euler no había sido muy usada por los ingenieros. Realizó una serie de ensayos sobre 32 columnas y sugirió que si el pandeo ocurría cuando se 14.

(29) ha sobrepasado el límite de proporcionalidad, se debía considerar un módulo de elasticidad efectivo "Eef" cuyo valor estaba comprendido entre el módulo inicial "E" y el módulo tangente "Et ". Independientemente de estos estudios, Engesser en el mismo año sugirió que la resistencia de las columnas podía calcularse utilizando el módulo tangente en la fórmula de Euler. Con este criterio, para una columna articulada la tensión crítica era: 𝛿 =. 𝜋2 𝐸𝑡 2 (𝑙⁄𝑟). siendo “r" el radio de giro de la sección y "l" la longitud de la columna.. Seis años después, Jasinki, en base a los trabajos de Considere y Engesser, propuso utilizar un módulo de elasticidad reducido "Er", intermedio entre "E" y “Et”, pero que dependía también de la forma de la sección. Sin embargo, muchas experiencias de laboratorio, realizadas con sumo cuidado, mostraron que el pandeo y la falla de la columna se producían para cargas ligeramente superiores a las que indicaba la teoría del módulo tangente. En 1946, Shanley reconcilió las controversias surgidas entre los defensores de ambas teorías. El estableció que obviamente era posible que se iniciara la flexión de la columna con un aumento simultáneo de carga axial de acuerdo a la teoría del módulo tangente. Bastaría una imperfección infinitesimal para producir la flexión inicial y por lo tanto la carga de la fórmula del doble módulo nunca se alcanzaría. Shanley confirmó su anuncio mediante ensayos de modelos consistentes en dos barras rígidas conectadas en el centro por material inelásticamente deformable. De acuerdo a esas experiencias von Karman refinó la teoría del módulo tangente escribiendo que: “La carga del módulo tangente es el menor valor de carga axial para el cual puede ocurrir la bifurcación de la posición de equilibrio, sin tener en cuenta si la transición a la bifurcación de flexión requiere un aumento de la carga axial o no.” Estos nuevos conceptos, que tienen una importancia comparable a la contribución inicial de Euler, han sido llamados Teoría de Engesser-Shanley, que hoy es generalmente aceptada.. 15.

(30) 3.3.2. Tipos de pandeo: Cuando un miembro axialmente cargado en compresión se vuelve inestable en su conjunto (es decir, no localmente inestable), él puede pandearse en una de las tres maneras expuestas a continuación. . Pandeo flexional: se trata de una deflexión causada por flexión respecto al eje correspondiente a la relación de esbeltez más grande. Este es usualmente el eje principal menor, o sea, aquel con menor radio de giro. Los miembros con cualquier tipo de sección transversal pueden fallar de esta manera.. . Pandeo torsional: Este tipo de falla es causada por torsión alrededor del eje longitudinal del miembro. Este caso puede ocurrir sólo en miembros con secciones transversales doblemente simétricas con elementos muy esbeltos en su sección. Los perfiles estándar laminados en caliente no son susceptibles al pandeo torsional, pero los miembros compuestos a base de placas delgadas sí lo son y deben ser investigados. El perfil cruciforme mostrado es particularmente vulnerable a este tipo de pandeo.. . Pandeo flexo-torsional: Este tipo de falla es causada por una combinación de pandeo por flexión y pandeo torsional. El miembro se flexiona y tuerce simultáneamente. Este tipo de falla sólo puede ocurrir en miembros con secciones transversales asimétricas, tanto en aquellas con un eje de simetría, como en aquellas sin ningún eje de simetría.. 16.

(31) Ilustración 7. Tipos de pandeo.. Fuente: Modelación, análisis y diseño de una edificación en acero utilizando un sistema de arriostramientos concéntricos a base de diagonales de pandeo restringido. . Pandeo local: Es uno de los modos de falla más importantes en estructuras metálicas, donde pandean los elementos finos de una sección que es sometida a compresión en una serie de ondas o arrugas.. 17.

(32) Figura 1. Pandeo local.. Fuente: Modelación, análisis y diseño de una edificación en acero utilizando un sistema de arriostramientos concéntricos a base de diagonales de pandeo restringido.. 3.4.. MARCO TEÓRICO. En relación al presente estudio comparativo, no son muchos los trabajos o investigaciones desarrolladas que se encuentren vinculadas de manera general o específica, pues en su mayoría los estudios realizados hacen referencia a la evaluación de vulnerabilidad física de la estructura, ante fuerzas sísmicas o movimientos telúricos implementando estos tipos de arriostramientos para así poder mejorar la ductilidad de los elementos de la estructura; de varios de estos temas se puede asociar información de análisis, con la finalidad de generar un aporte al proyecto, involucrando información que puede servir de base para las recomendaciones técnicas constructivas asociadas al presente proyecto. . En la tesis: “Diseño sismoresistente de conexiones rígidas viga - columna y arriostramientos excéntricos para un edificio de acero de 15 pisos emplazado en la ciudad de Valdivia” realizada por el Ingeniero Pablo Benedicto Zambrano Leiva, de la ciudad de Valdivia - Chile; se establece un estudio relacionado a reforzamientos y construcción de estructuras desarrolladas en su país, conectado con las problemáticas estructurales resultantes asociadas a la actividad sísmica constante, En su investigación realizó el estudio de varios métodos que existen en la actualidad, su principal enfoque es el 18.

(33) análisis del proceso de rigidizar las estructuras, con la intención de generar una adecuada preparación de la estructura ante la repentina ocurrencia de un sismo.. En el capítulo 2 de su tesis habla de los marcos dúctiles con arriostramientos concéntricos, de los cuales realiza un desglose de los temas principales a tener en cuenta al realizar un diseño con este método; nos aclara también que durante un sismo los arriostramientos en marcos concéntricos están sujetos a grandes deformaciones en los ciclos de tracción y compresión en un rango de post-pandeo, de los cuales estudios y ensayos realizados han dado a conocer que tienen una baja disipación de energía y por la limitada ductilidad que ellos poseen, siendo inevitable que conduzcan a fracturas en las conexiones y hasta en los propios arriostramientos. Esto en general tiene como resultado un severo pandeo local que generan tensiones, disminuyendo la ductilidad y aumentando los desplazamientos de pisos, sobrecargando algunos de los elementos estructurales. También entrega unas recomendaciones para pulir y perfeccionar ciertos parámetros de diseño, con el fin de mejorar el comportamiento post-pandeo de este tipo de estructuras con arriostramientos concéntricos; algunas de estas recomendaciones incluyen: limitar la relación ancho-espesor y mejorar detalles en las conexiones especiales. Ilustración de algunas de sus consideraciones en cuanto a la configuración estructural:. Figura 2. Tipos de marcos con arriostramiento concéntrico.. Fuente: AISC 341, 2005.. 19.

(34) En el mismo capítulo estudia el caso de marcos con arriostramientos excéntricos (EBF), realizando una minuciosa descripción de la composición las estructuras cuando las implementan, llegando al tema de la diferencia entre estos dos tipos de arriostramientos; explicando que existe un tramo conectado a la viga llamado Link o Enlace, el cual es la principal fuente de disipación de energía. Este tipo de arriostramiento proveen una rigidez inelástica que se asimila a los marcos especiales con arriostramientos concéntricos cuando la longitud del Link o Enlace es la más adecuada. A continuación, se destacan algunas de las características asociadas para el diseño de este tipo de arriostramientos y dentro de qué rangos debe hacerse.. Figura 3. Tipos de marcos con arriostramiento excéntrico.. Fuente: AISC 341, 2005.. . En el trabajo de grado “Análisis comparativo de la respuesta sísmica entre edificios en altura de acero en base a marcos de momento y marcos arriostrados en el núcleo y en base a marcos de momento y núcleo de hormigón armado” presentado por el Ingeniero Alfredo Iván bustos Vejar, de la Universidad Austral de Chile; nos presenta el análisis que realiza en cuanto al diseño del arriostramiento excéntrico en V invertida para el tipo de edificación escogida; teniendo como variable el cambio que ocurre en el periodo cuando se hace variar la excentricidad, obteniendo como resultado 20.

(35) la existencia de una correlación casi lineal, y como consecuencia se observa el aumento de la ductilidad en la estructura al utilizar arriostramientos excéntricos en vez de concéntricos; lo que en determinados casos colaboraría en el control de respuestas de estructuras muy rígidas.. Tabla 2. Influencia de excentricidad en el periodo.. Fuente: http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2003/bmfcib982a/doc/bmfcib982a.pdf. Figura 4. Excentricidad en arriostramiento.. Fuente: http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2003/bmfcib982a/doc/bmfcib982a.pdf. . Otro estudio que aporta al desarrollo del proyecto está asociado al “Reglamento argentino para construcciones sismorresistentes” en el apartado IV de construcciones en acero en la “edición del 2005” nos aclara que los pórticos sismorresistentes especiales arriostrados concéntricamente 21.

(36) son quienes desarrollan importantes deformaciones inelásticas limitadas bajo la acción de cargas sísmicas, en cambio cuando se refieren a los arriostramientos excéntricos estos pueden desarrollan importantes deformaciones inelásticas en los enlaces cuando se le aplican las cargas. Las riostras diagonales, columnas y los segmentos de viga ubicados fuera del enlace deberán diseñarse para mantenerse elásticos bajo los máximos esfuerzos que puedan generarse a través de la plastificación total de los enlaces, considerando el endurecimiento por deformación. También se incluyen parámetros mínimos requeridos para el diseño de estos enlaces, garantizando su óptimo desempeño ante la aplicación de diversas cargas sísmicas. . En el “manual de diseño sismorresistente de edificaciones en acero bajo los sistemas SMF, SCBF y EBF basado en las normas ANSI/AISC 360-05 y 34105.” de la universidad de Caracas, se especifican los tipos de pórticos que se diseñan para sistemas en Niveles de Diseño ND1 Y ND3, estos incluyen a los pórticos de acero con arriostramientos con diagonales concéntricas, dispuestas en X, V o V invertida, que solos o en combinación con pórticos forman parte del sistema resistente a sismo. Dentro de las características principales de este tipo de sistemas estructurales están:  Sistema de vigas, columnas y arriostramientos concéntricos.  Sistemas con desarrollo de deformaciones y fuerzas axiales significativas. Figura 5. Pórticos con diagonales concéntricas.. Fuente: http://saber.ucv.ve/bitstream.pdf. 22.

(37) Algunas de las características asociadas incluyen: . Sistemas capaces de desarrollar ductilidad, disipación de energía e incursiones significativas en el rango inelástico. Sistema con una gran rigidez elástica. Las columnas y vigas permanecerán en el rango elástico.. En la tesis presentada por Saad Charbel y Córdova Racanati en el 2011 para optar por el título de ingeniería civil en Caracas, Venezuela cuyo título es “Modelación, análisis y diseño de una edificación en acero utilizando un sistema de arriostramientos concéntricos a base de diagonales de pandeo restringido” se basa en un método más avanzado para resistir las fuerzas sísmicas y evitar riesgos en estructuras, específicamente en una estructura aporticada de acero. Su enfoque general, es la investigación sobre un método llamado pórticos con diagonales concéntricas tradicionales, cuya afinidad radica en brindar la mayor información detallada para su futura aceptación y aplicación. El aporte que nos ofrece sobre los pórticos con diagonales de pandeo restringido son un sistema con grandes ventajas constructivas y económicas, que elimina la falla por pandeo en las diagonales existente en otros sistemas. Este sistema posee un comportamiento cíclico y estable, y provee una mayor ductilidad. Al comparar ambos modelos estructurales en una edificación de seis niveles y de tipología similar a la planteada, se demostró que el uso de Diagonales de Pandeo Restringido ofrece las siguientes ventajas:.  Disminución aproximada del 50% en la fuerza cortante de los niveles, gracias a la gran ductilidad y alto valor de reducción de fuerzas sísmicas del sistema.  Reducción entre un 25 y 30% del acero estructural requerido.  Disminución entre un 15 y 20% en las reacciones de la base, lo cual pudiera traducirse en fundaciones de menor tamaño.  Reducción del peso de la estructura debido al uso de perfiles de menor tamaño para todas las columnas.  Conexiones mucho más sencillas y de menor tamaño que permitirían disminuir el peso total de la estructura.. 23.

(38)  Obtención de una estructura más elegante, atractiva y de mayores beneficios arquitectónicos. Todas estas ventajas conllevarían un ahorro significativo en tiempo y en costos de construcción. También algo importante que se puede evidenciar en la tesis de grado aquí enunciada es una breve reseña sobre a idea de eliminar el modo de falla por pandeo en elementos esbeltos sometidos a compresión las cuales han sido objetivo de continuas discusiones e investigaciones. La solución teórica para eliminar este modo de falla es muy simple, colocar arriostramientos laterales al elemento comprimido, a intervalos cortos y regulares, de forma tal que la longitud efectiva del elemento comprimido se aproxime a cero.. Figura 6. Planteamiento del pandeo restrin. gido. Fuente: Modelación, análisis y diseño de una edificación en acero utilizando un sistema de arriostramientos concéntricos a base de diagonales de pandeo restringido.. . En la tesis presentada por el Ing. Carrasco B. Ludwing A. en el 2011 presentó una tesis en la Universidad Nacional de ingeniería para obtener el grado de maestría en Ingeniería Estructural en Lima, Perú; con el título “Comportamiento axial de arriostres de acero” busca como objetivo principal el de un análisis físico, teórico y matemático sobre el comportamiento axial de los arriostres de acero. Por lo tanto, define minuciosamente las características de los mismos, determinando así parámetros que afectan su comportamiento histerético. Visto de esta forma, la importancia de esta investigación es que una estructura aporticada de acero tenga un buen 24.

(39) comportamiento ante las fuerzas como las del sismo y las del viento, por lo que se enfocan en los diferentes tipos de deformaciones posibles en arriostres y sus causas. Una de las conclusiones que aportan al presente trabajo es que los estudios experimentales y analíticos del comportamiento inelástico de arriostres sujetos a cargas axiales cíclicas identificaron tres parámetros claves que afectan el comportamiento histerético de un componente arriostrante; esbeltez del arriostre, condiciones de borde y la forma de la sección.. . En el trabajo de grado realizado por Carnicero A., Gabriela A. y Velasco G., Lizmayrin en la Universidad Nueva Esparta de Caracas, Venezuela; para optar por el título de Ingeniero Civil con el nombre de “Desempeño sísmico de arriostramientos concéntricos y de disipadores de fluido viscoso en pórticos metálicos” ; nos aclara que los pórticos con arriostramientos concéntricos (CBF) es un sistema el cual consiste un unas riostras que se ubican de manera diagonal entre los pórticos, donde sus miembros están sujetos principalmente a fuerzas axiales y que su gran ventaja comparada con los otros sistemas, es que provee de forma económica mayor resistencia y rigidez que por ejemplo un pórtico resistente a momento con la misma cantidad de acero. De lo cual pueden aclararnos que los CBF componen la parte esencial de la rigidez en los pórticos, a manera de poder atraer y absorber las fuerzas de compresión y tensión bajo la acción dinámica de un temblor; por lo cual el comportamiento de dicho pórtico suele ser dominado pandeo por compresión. Por otro lado, es muy importante considerar que estos sistemas tienen diferentes formas de configuración de arriostrar, por lo que todas sus variaciones cumplen con diferentes necesidades estructurales.. 25.

(40) Figura 7. Diferentes tipos de configuraciones en sistemas de CBF.. Fuente: Desempeño sísmico de arriostramientos concéntricos y de disipadores de fluido viscoso en pórticos metálicos. Concluyendo los autores de la tesis de grado respecto a la absorción de energía el pórtico arriostrado mostró que la disipación de energía proveniente del sismo es disipada mayormente por la estructura donde los arriostramientos teóricamente son los más afectados. Por otro lado, se comprueba como los métodos de rigidización pueden aumentar la energía de entrada, en este caso aumento un 20% respecto al pórtico modelo. . Entorno al Reglamento Colombiano de construcción sismo resistente (NSR10) se encuentran las definiciones y parámetros de mayor vinculación con el desarrollo del proyecto, estableciendo los siguientes conceptos: PAC — DES (Pórtico arriostrado concéntricamente con disipación de energía especial): Un pórtico arriostrado en donde todos los miembros del sistema de arriostramiento están solicitados principalmente por fuerzas axiales. PAE (Pórtico arriostrado excéntricamente): Pórtico arriostrado mediante diagonales en el que por lo menos un extremo de cada riostra está conectado a la viga, a una corta distancia de una conexión viga a columna o de otra conexión viga a riostra.. 26.

(41) 4. DISEÑO METODOLÓGICO 4.1.. TIPO DE INVESTIGACIÓN. El desarrollo del proyecto se fundamentará asociado a un tipo de investigación cualitativa, debido al tipo de información recopilada y la vinculación de los estudios establecidos. También se tomará como referencia particular la investigación descriptiva, evaluativa y experimental, con el fin de especificar características y propiedades asociadas a los sistemas de arriostramientos concéntricos y excéntricos para estructuras metálicas. 4.2.. POBLACIÓN. Profesionales asociados al desarrollo de proyectos constructivos con estructuras metálicas, estudiantes de carreras técnicas y profesionales que integren estudios de estructuras, constructores y fabricantes de estructuras metálicas que integren a sus procesos metodológicos sistemas de arriostramientos concéntricos y excéntricos. 4.3.  4.4. ● ● ● ● ● ● ● ● ●. MUESTRA Estructura metálica de cuatro pisos existente, diseñada con sistemas de arriostramiento concéntrico o excéntrico. VARIABLES Proceso de diseño de la estructura metálica existente. Materiales que componen la estructura metálica. Modificaciones en diseños inicialmente planteados. Materiales que componen los sistemas de arriostramiento concéntrico y excéntrico. Disposición del sistema de arriostramiento (según el tipo). Sistema de pórticos resistente a momentos. Daños vinculados a la estructura metálica. Características específicas asociadas al software de modelamiento de la estructura. Capacidad de disipación de energía moderada (DMO) y especial (DES) para pórticos resistente a momentos con sistemas de arriostramiento concéntricos y excéntricos.. 27.

(42) 4.5.. PARÁMETROS DE EVALUACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS. 4.5.1. Información general El conjunto de obras necesarias para la construcción de la Sede del Laboratorio científico especializado de la DIAN, ubicado en la Calle 65 Bis No. 88-81 Bodega España - Álamos, en la ciudad de Bogotá, está conformado por dos (2) edificios, uno edificio de cuatro (4) pisos, existente construido hasta estructura, que se reforzará y ampliará; que cuenta con un área construida de 3.690 m2 aproximadamente y otro edificio de dos (2) pisos que se construirá todo nuevo, en el lugar ocupado actualmente por una bodega, la cual se demolerá y que tiene un área aproximada de 2.635 m2. Los edificios estarán conformados estructuralmente por sistemas aporticados combinados de módulos en estructura de concreto con módulos en estructura metálica. La cimentación estará constituida por pilotes tipo tornillo, dados, zapatas y vigas de amarre. Los edificios contaran con las instalaciones básicas hidrosanitarias, red contra incendio, red de gas, instalaciones eléctricas y de comunicaciones, ventilación mecánica, aire acondicionado, seguridad y control, cableado estructurado, automatización y adicionalmente contara con instalaciones especializadas, tales como red de gases especiales y sistemas de tratamiento ambiental. El edificio contara con transporte vertical de ascensores y montacargas. Además de los acabados arquitectónicos el proyecto comprende la construcción de las obras exteriores adyacentes y el suministro e instalación del mobiliario especializado para las áreas de trabajo de los laboratorios y el amueblamiento de las oficinas abiertas. Los parámetros técnicos con los que se elaboró el presupuesto fueron: . . Preliminares: además de las actividades habituales de campamento, cerramiento y servicios públicos provisionales, este capítulo incluye el desmonte y la demolición total de la construcción existente (bodega) y la demolición parcial y controlada de los elementos en concreto que se van a recalzar. Cimentación: aquí se incluyen pilotes tipo tornillo de 20 y 30 cm de diámetro a 19 metros de profundidad. Dados, zapatas, vigas de amarre y placas de contrapiso en concreto reforzado de f’c=4.000 psi. Escarificación y anclajes para el recalce de los elementos de la cimentación existes a reforzar y estructuras en concreto enterradas como: tanques, desarenadores, pozos, fosos, etc. 28.

(43) . . .   . . . .  . . Estructura de concreto: sistema aporticado con columnas y pantallas en concreto reforzado de f’c=4000 psi. Losas de entrepiso aligeradas, sin torta inferior de 40 cm de espesor. Losas con vigas descolgadas y losas macizas de 15 cm de espesor. Vigas áreas de cubierta para apoyo de cerchas metálicas, todo en concreto de f’c=4.000 psi. Estructuras metálicas: sistemas aporticados de columnas, vigas y entrepisos en perfiles estructurales y losa Steel-deck; escaleras y puentes en perfiles estructurales metálicos y cerchas para cubiertas livianas. Mampostería: muros de fachada y divisorios en bloque de concreto de diferentes espesores, confinados con dovelas, vigas intermedias, etc., de acuerdo con el plano estructural de elementos no estructurales. Pañete o Revoques: todos los muros en bloque de concreto van pañetados, con mortero corriente o impermeabilizado según corresponda. Fachadas: Revestimiento de muros de fachada y de patios interiores en paneles, según plano de detalle arquitectónico. Carpintería de aluminio (Ventaneria): sistema de ventaneria flotante con vidrio laminado de 6 mm + 6mm. Este capítulo también incluye las puertas ventanas, divisiones de vidrio interiores y barandas en vidrio (cortaviento). Impermeabilizaciones: incluye la impermeabilización de cubiertas y terrazas a base de poluria, la impermeabilización interior de los tanques de agua, y la impermeabilización exterior de estructuras enterradas (tanques, pozos, fosos, etc.) Cubierta: comprende el afinado y pendientado de las cubiertas planas en concreto, la teja y paneles traslucidos de las cubiertas livianas con su respectivo sistema de canales, flanches y remates. También incluye el sistema de cubiertas verdes especificado para algunas terrazas. Cielorrasos: cielorrasos falsos para todos los espacios con diferentes especificaciones tales como cielo raso de fibra mineral y bandejas de aluzinc tipo HD. Bases de Piso: Afinado y pendientado de pisos previo a la colocación del acabado de piso Acabado de pisos: dependiendo del espacio y de su uso, se especificaron y presupuestaron pisos en porcelanato, en cerámica, en vinilo, en madera laminada, pisos en concreto para cuartos técnicos y en losetas de concreto para los espacios exteriores; incluye el correspondiente sistema de guardaescoba, pirlanes y mediacañas. Recubrimiento zonas húmedas: en especificaron y presupuestaron en porcelanato y cerámica. 29.

(44)  . . Carpintería de madera: comprende marcos y puertas en madera maciza para oficinas y baños. Carpintería metálica: comprende las puertas metálicas para cuartos técnicos de diferentes tipos: puertas cortafuegos, cortinas enrollables, puertas sencillas, rejas, puertas en aluminio, rejillas en aluminio, barandas y divisiones en acero inoxidable para los baños. Dotación Baños: sanitarios línea institucional, grifería y accesorios institucional, divisiones en acero inoxidable y mesones en granito.. 4.5.2. Características específicas de la edificación. La edificación fue construida parcialmente en el año 2004, se compone de cuatro niveles con pórticos de acero, como elemento de entrepiso se tiene una losa con lámina colaborante (Steel Deck), actualmente la estructura se encuentra sin uso y en estado de abandono, hay elementos de acero que han estado expuestos a agentes ambientales como vigas, columnas y losas de entrepiso, se aprecian algunas instalaciones y muros divisorios en diferentes zonas de la edificación, visualmente se logra apreciar platinas con sus correspondientes pernos de anclaje completamente corroídos y sumergidos bajo agua.. Figura 8. Estructura metálica en estado de abandono.. Fuente: Propia. 30.

(45) Ante la ausencia de memorias de cálculo estructural para esta estructura se tienen las siguientes consideraciones de diseño tomadas de los planos: Materiales: Concreto para cimentaciones de 4000 psi y acero de 60.000 psi, Grupo de uso II= Estructuras de ocupación especial, zona 4 de microzonificación sísmica de Bogotá. Cimentación: dados apoyados sobre pilotes de diámetro 300 mm y longitud 24 metros de acuerdo a lo consignado en los planos estructurales. El concreto especificado en planos es 4000 psi. Configuración estructural vertical: columnas de acero perfil H conformado de 25.4 mm de espesor y 40 cm de lado. Retícula de pilares aproximadamente cuadrada en la zona del primer nivel y lineal perimetral en el segundo nivel con luces variables en promedio de 6.40 m en un sentido y 5.2 m en el otro sentido. Configuración estructural horizontal: se tiene un sistema de vigas de acero en las dos direcciones dando apoyo a una losa tipo corpalosa 1 ½” con un espesor total de 12 cm. En la cimentación se incluyen pilotes tipo tornillo de 20 cm de diámetro a 19 metros de profundidad. Dados, zapatas, vigas de amarre y placas de contrapiso de 12 cm de espesor en concreto reforzado de f’c=4.000 psi. Escarificación y anclajes para el recalce de los elementos de la cimentación existes a reforzar. Realizando una inspección visual es posible apreciar un alto grado de deterioro de una gran cantidad de elementos metálicos. Los ensayos realizados por la Universidad de Antioquia comprenden medición de espesores en perfiles metálicos, estado de conexiones elementos metálicos, ensayos método líquidos penetrantes en elementos metálicos, con base a los resultados obtenidos de estos ensayos se puede concluir que la estructura fue construida cumpliendo todas las especificaciones plasmadas en los planos estructurales y que las labores de intervención en la estructura se deben a deterioro y abandono de la estructura que ha provocado que múltiples elementos y sus conexiones presenten corrosión. La mayor intervención comprende la construcción de una pantalla en concreto reforzado para la zona de elevadores y la construcción de dos escaleras metálicas, los trabajos de reforzamiento de la cimentación son básicamente por el incremento de carga muerta y la consideración del 25% de la carga viva en el cálculo de la masa de la estructura.. 31.

(46) Figura 9. Pernos de anclaje corroídos y sumergidos bajo el agua.. Fuente: Propia. 4.6.. CRITERIOS PARA LA EVALUACIÓN DE LA CONDICIÓN ESTRUCTURAL. La normativa aplicable y de obligatorio cumplimiento para los diseños estructurales que intervienen en la edificación se remite de acuerdo a las siguientes disposiciones: 4.6.1. Espectro de diseño. 4.6.1.1. . Espectro de aceleraciones.. La forma del espectro elástico de aceleraciones, Sa expresada como fracción de la gravedad, para un coeficiente de cinco por ciento (5%) del amortiguamiento crítico, que se debe utilizar en el diseño, se da en la siguiente figura y se define por medio de las ecuaciones correspondientes.. 32.

(47) Figura 10. Espectro elástico de aceleraciones de Diseño como fracción de “g”.. Fuente: Decreto 523 de 2010 “por el cual se adopta la microzonificación sísmica de Bogotá D.C. Figura 3.2. De acuerdo a la especificación de microzonificación sísmica de la zona en la cual se ubica la edificación, se establecen los siguientes parámetros: Tabla 3. Coeficientes la curva de diseño.. Fuente: Decreto 523 de 2010 “por el cual se adopta la microzonificación sísmica de Bogotá D.C. Figura 3.2. 33.

(48) 4.6.2. Zonas de amenaza sísmica. (NSR-10 Título A, Numeral A.2.3) La edificación debe localizarse dentro de una de las zonas de amenaza sísmica que se definen en esta sección y que están presentadas en el Mapa.. 4.6.2.1.. Zona de amenaza sísmica baja.. Es el conjunto de lugares en donde tanto la aceleración pico-efectiva (Aa) como la velocidad pico-efectiva (Av) son menores o iguales a 0.10. 4.6.2.2.. Zona de amenaza sísmica intermedia.. Es el conjunto de lugares en donde tanto la aceleración pico-efectiva (Aa) como la velocidad pico-efectiva (Av), o ambos, son mayores de 0.10 y ninguno de los dos excede 0.20. 4.6.2.3.. Zona de amenaza alta.. Es el conjunto de lugares en donde tanto la aceleración pico-efectiva (Aa) como la velocidad pico-efectiva (Av), o ambos, son mayores que 0.20. Para la edificación en particular, debido a su localización se considera el siguiente parámetro:. 34.

(49) Figura 11. Valor de Aa y Av para las ciudades capitales de departamento.. Fuente: Reglamento Colombiano de construcción sismo resistente. NSR-10. Título A – Requisitos generales de diseño y construcción sismo resistente. Tabla A.2.3-2.. 35.

(50) Ilustración 8. Zonas de amenaza sísmica aplicable a edificaciones para la NSR-10 en función de la aceleración pico-efectiva (Aa) y velocidad pico-efectiva(Av).. Fuente: Reglamento Colombiano de construcción sismo resistente. NSR-10. Título A – Requisitos generales de diseño y construcción sismo resistente. Figura A.2.3-1.. 36.

(51) 4.6.3. Coeficiente de importancia. (NSR-10 Título A, Numeral A.2.5) En esta sección se definen los grupos de tipo de uso y los valores del coeficiente de importancia. 4.6.3.1.. Grupos de uso. (NSR-10 Título A, Numeral A.2.5.1). La edificación se clasifica dentro del siguiente grupo de uso: 4.6.3.1.1. Grupo II – Estructuras de ocupación especial. Cubre las siguientes estructuras:      . 4.6.3.2.. Edificaciones en donde se puedan reunir más de 200 personas en un mismo salón. Graderías al aire libre donde pueda haber más de 2000 personas a la vez. Almacenes y centros comerciales con más de 500 m² por piso. Edificaciones de hospitales, clínicas y centros de salud, no cubiertas en el grupo IV. Edificaciones donde trabajen o residan más de 3000 personas. Edificios gubernamentales.. Coeficiente de importancia. (A.2.5.). Con el fin de tener presente las edificaciones de los grupos II, III y IV. Deben considerarse valores de aceleración con una probabilidad menor de ser excedidos que aquella del diez por ciento en un lapso de cincuenta años, Los valores del coeficiente de importancia se dan en la siguiente tabla.1. 1. Norma Sismorresistente Colombiana, Año 2010, Título A, Numeral A.2.5.. 37.

(52) Ilustración 9. Valores del coeficiente de importancia, I.. Fuente: Reglamento Colombiano de construcción sismo resistente. NSR-10. Título A – Requisitos generales de diseño y construcción sismo resistente. Tabla A.2.5-1.. 4.6.4. Tipo de perfil de suelo De conformidad con el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-1O, es aplicable para el diseño y construcción de las edificaciones. Figura 12. Clasificación de los perfiles de suelo. Fuente: Reglamento Colombiano de construcción sismo resistente. NSR-10. Título A – Requisitos generales de diseño y construcción sismo resistente. Tabla A.2.4-1.. 38.

(53) Debido a que la estructura fue construida en el año 2004, es decir antes de la vigencia de la presente versión del reglamento de la NSR-10; el estudio geotécnico realizado para el reforzamiento de la estructura por parte Universidad de Antioquia para determinar el uso de suelo se realizó de acuerdo a las disposiciones del decreto 523 del 2010. Para la determinación de los coeficientes de amplificación (Fa y Fv) se consideraron las siguientes condiciones:. Ilustración 10. Memoria de cálculo estructural por parte de la Universidad de Antioquia.. Fuente: Consultoría pata realizar actualización de los estudio y diseños de laboratorio nacional de aduanas de la DIAN, en Bogotá D.C. Memoria de cálculo estructural. Universidad de Antioquia. 2015.. Los datos anteriormente recopilados se pueden evidenciar en la tabla 3 del decreto 523 del 2010.. 39.

(54) 5. ACTIVIDADES El desarrollo del proyecto se vinculó a través de la siguiente secuencia de investigación: 5.1.. DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES. 1) Recopilación de información: esta parte preliminar consiste en un trabajo de recolección de información relevante y actualizada sobre el tema tratado en la investigación, con el fin de fijar adecuadamente las bases en que se fundamenta la investigación. 2) Caracterización de la información (Fuentes bibliográficas): debido a que el análisis comprende dos metodologías con diferencias y particularidades sobre una estructura con características establecidas, es importante generar una adecuada separación de la información investigada. 3) Vinculación de la información del marco conceptual: debido a que el análisis comparativo de la implementación de sistemas de arriostramiento concéntrico y excéntricos en estructuras metálicas es muy limitado en cuanto a información, es necesario que el marco teórico contribuya de manera notable en la participación del proyecto. 4) Generación de tablas e indicadores de referencia por sistema: a través de la información organizada se establecerán las principales propiedades a referenciar con el fin de generar una adecuada interrelación y diferenciación de cada método. 5) Modelamiento de los sistemas de arriostramiento: con la información obtenida con respecto a la estructura metálica existente, se empleará un software de modelamiento para estructuras, con el fin de determinar posibles comportamientos, que reflejen características a favor o en contra de cada sistema empleado, con la finalidad de establecer patrones de desempeño. 6) Detección de parámetros de vital importancia: debido a que las características que describen los sistemas de arriostramientos concéntricos y excéntricos se encuentran en gran cantidad, es de gran relevancia escoger la información que relacione propiedades esenciales que vinculen el desempeño para el desarrollo del análisis comparativo entorno a la estructura metálica. 7) Verificación de datos: es importante la generación de revisiones continuas a los datos consultados y resultantes del proceso, con el fin de vincular adecuadamente la información al análisis. 40.

(55) 8) Elaboración del análisis: con el proceso de caracterización de la información, el modelamiento previamente realizado de la estructura existente y el análisis de los datos resultantes, se realizará un análisis comparativo de la interacción del sistema de arriostramiento concéntrico y excéntrico con la estructura. 9) Elaboración del informe, conclusiones y recomendaciones: con el fin de concretar el desarrollo del proyecto de investigación, se generará un documento que presenta los resultados obtenidos de la implementación de la metodología, así se desarrollarán las respectivas conclusiones y recomendaciones necesarias para quienes vayan a retomar el proceso investigativo.. 5.2.. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES. Tabla 4. Cronograma de actividades.. Fuente: Propia. 41.

(56) 6. COMPONENTES DEL MODELO EN ETABS. 6.1.. PLANTAS Y FACHADAS. 6.1.1. LEVANTAMIENTO EN AUTOCAD Para realizar el modelaje tridimensional en el software (ETABS) se realizó el respectivo levantamiento geométrico y dimensional de los elementos estructurales de la edificación, para lo cual se implementó la herramienta AutoCAD; realizando cortes de los detalles donde se encuentran los arriostramientos, plantas de los pisos. Gráfica 1. Detalles en corte de arriostramientos existentes.. Fuente: Propia.. 42.

(57) Corte de los arriostramientos en donde se encuentran los arriostramientos con sus detalles por cada uno de los pisos.. Gráfica 2. Detalles planta típica Mezzanine, piso 2 y piso 3.. Fuente: Propia.. 43.