UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA DE LA CONSTRUCCIÓN Y EL HABITAT (MAESTRIA EN INGENIERIA APLICADA) T E S I S

103  Download (0)

Full text

(1)

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INGENIERIA DE LA CONSTRUCCIÓN Y EL HABITAT

(MAESTRIA EN INGENIERIA APLICADA)

T E S I S

Viabilidad de Estructuras mediante el uso de Elementos Rolados en Frio

Para acreditar el proyecto de aplicación de la Maestría en Ingeniería Aplicada

Presentado por:

Ing. María Guadalupe Acevedo Cruz

Dirigido por:

Dr. Rolando Salgado Estrada Mtro. Franco Antonio Carpio Santamaría

(2)

Resumen

Esta investigación se enfoca principalmente en la evaluación del comportamiento estructural de un edificio a base de elementos de acero rolado en frío de cinco niveles ante las acciones de viento y sismo. Es importante mencionar que los elementos de acero rolado en frío no se utilizan ampliamente en México para la construcción de edificaciones de mediana y baja altura. No obstante, puede resultar una alternativa de construcción, con buen desempeño estructural en este tipo de edificaciones. Para determinar su comportamiento estructural, se realizó un modelo numérico elástico lineal en el cual se tomaron en cuenta sus propiedades dinámicas y efectos de segundo orden. Además, se determinaron las acciones dominantes para su diseño, basándose en los criterios establecidos en los manuales para sismo y viento vigentes de acuerdo con el lugar de ubicación de edificio. Para la estimación de las cargas gravitacionales se utilizó el reglamento vigente de la Ciudad de México. El análisis de su comportamiento estructural con este tipo de elementos de acero rolado en frío consistió en la revisión de sus distorsiones de entrepiso, tanto por viento como por sismo.

Los resultados del análisis realizado mostraron que la estructura analizada no sufre desplazamientos laterales importantes causados por eventos sísmicos. Sin embargo, se determinó que es necesario tener un sistema adicional de rigidez lateral para controlar los desplazamientos y asegurar la estabilidad de la estructura frente a las acciones por viento.

(3)

Abstract

This research was main focused in the assessment of the structural behaviour of a cold-formed steel building of 5 stories subjected to wind and seismic loads. It is important to highlight that cold formed steel elements are not commonly used in Mexico for building medium and low high structures. Nevertheless, they could be considered a construction alternative, with good structural behaviour in this kind of buildings. For determining its structural behaviour, a linear elastic numerical model was done taking into account its modal parameters and second order effects. Moreover, the main internal forces were determined, based on criteria given by the seismic and wind current codes applicable for the location of the analyzed building. For determining the vertical loads, the most recent Mexico City code was used. The analysis of its structural behavior in this kind of cold formed steel elements involved lateral displacement drift, for wind and seismic loads.

Analysis results indicated that analysed building did not have important lateral displacements due to seismic events. However, it was concluded that it is required an additional lateral stiffness system to control the displacements and ensuring the global structural stability against wind loads.

(4)

Contenido

1- Introducción ... 1

1.1.- Planteamiento del Problema ... 3

1.2.- Objetivos ... 5

2- Antecedentes de Perfiles Rolados en Frío ... 6

2.1.- Fabricación ... 7

2.2.- Comportamiento Estructural Local y Global ... 10

2.3.- Filosofía de Diseño ... 12

2.4.- Implementación y Ventajas... 12

3- Descripción del Caso de Estudio ... 17

3.1.-Descripción de la Edificación ... 17

3.2.- Condiciones Estructurales para Diseño ... 21

3.2.1.- Descripción de la Estructura ... 23

3.2.2.- Análisis de Cargas y Acciones ... 27

3.3.-Consideraciones para la Simulación Numérica ... 29

3.3.1.- Descripción de modelo Numérico ... 34

3.3.2.- Descripción del Análisis Estructural ... 40

3.4.- Criterios de Diseño por Servicio ... 41

4- Evaluación Estructural del Edificio ... 43

4.1.- Propiedades Dinámicas ... 43

4.2.- Amplificación por Efectos de Segundo Orden ... 47

4.3.- Acciones Dominantes ... 55

5- Conclusiones ... 57

Referencias ... 60

Anexo A – Análisis de Cargas ... 63

Anexo B – Análisis de Viento ... 70

(5)

Página 1 1- Introducción

Debido a su ligereza, alto rendimiento estructural y de construcción, es cada vez más habitual la construcción de estructuras a base de perfiles rolados en frío mediante un estudio de un edificio de 4 niveles diseñado con tres tipos de materiales (Hormigón Reforzado, Acero Rolado en Caliente, Acero Rolado en Frío), se demostró que el acero rolado en frío es 2.5 veces más económico teniendo un ahorro total del 35% en comparación con el acero rolado en caliente y es 4 veces más rápido en su proceso de instalación que la de una construcción convencional de hormigón como se muestra en la Figura 1.1. (Doctolero y Batikha, 2018).

Figura 1.1 Comparación entre el Costo ($) y Peso (Ton),(Doctolero y Batikha, 2018)

Nota. El grafico representa el ahorro entre el Acero Rolado en Frío contra el Acero Rolado en Frío

En contraste a estas ventajas se tiene que en México no es habitual emplear estos elementos más allá de estructuras secundarias y no en estructuras primarias de edificaciones debido a que es una zona afectada comúnmente por fenómenos de viento y sismo existiendo la ausencia de un reglamento en México para el diseño de este material es por ello que no es comúnmente utilizarlo en la estructura principal de las edificaciones.

Por otra parte el puerto de Veracruz es una zona que se localiza en costa (ver Figura 1.2); debido a ello cada año se ve afectado por fenómenos de huracanes conocidos comúnmente como vientos los cuales alcanzan velocidades regionales de 50 km-hr hasta 180 km-hr. De igual manera es un estado con sismicidad importante cuya aceleración máxima de roca varía entre 50

0 5 10 15 20 25 30 Acero Rolado en Caliente

Acero Rolado en Frio

Peso (Ton) Costo ($)

(6)

Página 2 cm/s2 y 200 cm/s2 (ver Figura 1.3), aunque no se ubica en una zona de contacto entre 2 placas, pero se distingue por sismos intraplaca.

Figura 1.2 Zonas de Ciclones Tropicales,(Patiño Barragán et al., 2009)

Nota: 1.-Golfo de Tehuantepec (inicia la última semana de mayo); 2.-Sonda de Campeche (inicia la primera quincena de junio); 3.-Caribe Oriental (inicia en julio); 4.-Región Atlántica (inicia a finales de julio).

Figura 1.3Regionalización Sísmica de la República Mexicana, (Manual de Diseño de Obras Civiles - Diseño por

Sismo CFE-IIE Versión 2015).

Nota: Zona B intensidad sísmica moderada (50𝑐𝑚/𝑠2≤ 𝑎

𝑜𝑟< 100𝑐𝑚/𝑠2) Zona C intensidad sísmica alta (100𝑐𝑚/𝑠2≤ 𝑎

𝑜

𝑟< 200𝑐𝑚/𝑠2)

Es por ello que esta investigación se centra en el comportamiento estructural ante las acciones de servicio de un edificio de 5 niveles estructurado con perfiles de acero rolado en frio tanto en su estructura primaria y estructura secundaria propuesto en el puerto de Veracruz considerando los efectos de segundo orden geométrico y poder comparar las deformaciones correspondientes a los efectos de las cargas verticales y horizontales provenientes del sismo y viento de acuerdo la Especificación Norteamericana para el diseño de miembros estructurales de acero conformado

(7)

Página 3 en frío (AISI S100-16) y a los criterios y limites especificados en MDOC Viento 2008, MDOC Sismo 2015, RCCDMX 2017.

1.1.- Planteamiento del Problema

Durante décadas en México la mayoría de las edificaciones se ha utilizado perfiles laminados en caliente empleado comúnmente en las estructuras primarias, también es utilizado rieles de vías de tren, bastidores y partes de vehículos pesados, construcción de naves industriales (columnas, vigas principales); no obstante la problemática que presenta este tipo de estructuras es su elevado peso y en consecuencia aumenta su costo en comparación con una estructuración a base de perfiles rolado en frio, pero en México no es habitual emplear los perfiles de acero rolados en frío más allá de estructuras secundarias y no en estructuras primarias debido a la ausencia de un reglamento en México para el diseño de este material.

Estos perfiles se utilizan como elementos estructurales principales los cuales están sujetos a varios modos de falla como pandeo local, distorsión pandeo, etc. lo que da lugar a que las secciones se refuercen para mejorar su rendimiento estructural; no obstante se ha observado la presencia de pliegues en las secciones transversales esto se puede prevenir restringiendo el movimiento a través de refuerzos intermedios (Dar, 2020). Es fundamental que la estructura resista a las acciones y condiciones ambientales como lo son el viento, incendio, sismo; ya que ninguna construcción queda exenta a ellas. El sistema estructural de los edificios construidos con este material es altamente sensible a cargas de viento en la fase de montaje, analizándose el estudio de un colapso de una parte de un edificio como se observa en la Figura 1.4; debido a que una fuerte ráfaga de viento actuó directamente sobre los marcos durante la fase de su montaje, al ver esto se propuso un sistema de arriostramiento el cual transmite la acción del viento en los marcos. (Ignatowicz y Gierczak, 2020).

(8)

Página 4 Los edificios de acero pueden presentar daños mediante colapso sísmico como se observa en la Figura 1.5; la evaluación del colapso sísmico de las estructuras de los edificios ha sido causa de gran inquietud; por lo que es importante establecer los factores de rendimiento sísmico que proporcionen un margen de seguridad adecuado contra el colapso; dichos factores proporcionan un rendimiento constante del diafragma durante las cargas sísmicas. (Kildashti et al., 2019).

El Incendio es una de las primordiales advertencias para la seguridad estructural de los edificios; cuando llega a existir un incendio en la estructura los parámetros importantes a evaluar son las propiedades mecánicas de los aceros para así determinar la reutilización de algunos de los elementos, mediante una revisión del acero se determinó que el módulo elástico puede considerarse sin cambios después de la exposición al fuego. (Yu et al., 2019).

Existe normatividad vigente para el estudio y diseño de los aceros rolados en frío conocido como Especificación norteamericana para el diseño de elementos estructurales de acero conformado en frío, edición 2016 la cual proporciona información de las propiedades y dimensiones, así como los criterios para el diseño de vigas, diseño de columnas, conexiones; ya que en México existe la ausencia de un código nacional para el diseño de este tipo de estructuras.

Con base a las problemáticas mencionadas anteriormente surge la necesidad de realizar una metodología para análisis y diseño de estructuras de acero rolado en frío en el puerto de Veracruz que sirva de referencia a los ingenieros de la práctica en el diseño de este tipo de edificaciones.

(9)

Página 5 1.2.- Objetivos

El objetivo de esta investigación es analizar la factibilidad de edificaciones de mediana altura, en la ciudad de Veracruz con elementos rolados en frio en su estructura principal y secundaría, considerando los criterios de los manuales de CFE Viento 2008 y CFE Sismo 2015.

Como objetivos particular se tiene:

 Analizar el comportamiento de elementos rolados en frio, considerando un modelo numérico elástico lineal con efectos de segundo orden de acuerdo con los requerimientos de código AISI 2016

 Diseñar por estado de servicio una edificación a base de perfiles rolados en frio bajo las condiciones del puerto de Veracruz.

 Determinar las acciones determinantes para su diseño en la región del puerto de Veracruz.

(10)

Página 6 2- Antecedentes de Perfiles Rolados en Frío

En la década de 1850 se da el uso de estos perfiles en la industria de la construcción, pero fue limitada a pocas estructuras en Estados Unidos, Inglaterra y Gran Bretaña; para las décadas de 1920 y 1930 la aceptación de este material fue también limitado ya que no existía información adecuada sobre el diseño y el uso de este material en los códigos de construcción existentes en esa época. (Don Allen, 2006).

La comisión de AISI promociono un proyecto de investigación de la Universidad de Cornel, esto debido al uso y progreso de este tipo de perfiles en Estados Unidos, dicho proyecto fue patrocinado por George Invierno, conocido como “el padre de acero rolado en frio,” el proyecto consistió en obtener avances sobre características específicas y el uso adecuado de este material; se realizaron 4 informes en los años 1940,1943,1944 y 1946; dichas investigaciones fueron publicadas en el año 1946 por el Instituto Americano del Hierro y Acero (Don Allen, 2006), en el cual se publicaron las especificaciones para el diseño por factores de carga y resistencia de estos perfiles, esto se debe a la transformación metalúrgica, a las nuevas tecnologías referentes al montaje y desempeño de los componentes constructivos que conforman la estructura en general.

Este tipo de acero presenta las siguientes características, solo por mencionar algunas:

 Producción masiva y calidad uniforme a bajo costo.  Estructuras de peso muy ligero

 Material reciclable

 Instalación y montaje más rápidos.

 Economía en transportación y manejo del material.  No se contrae ni se dilata a temperatura ambiente.

(11)

Página 7 2.1.- Fabricación

El Acero es uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil y adaptable; ya que este combina su resistencia y trabajabilidad, lo que se presta a fabricaciones de diversos elementos, este material se deriva de una aleación de hierro y carbono, donde el hierro proviene de una roca férrica sedimentaria denominada “taconita” esta roca contiene el mineral en bruto, la cual pasa por un proceso de trituración hasta hacerla polvo y separándola del hierro. Este hierro se pasa por altos hornos calientes y combinado con carbón para poder fundirlo y transformarlo así en Acero, para después verterlo en moldes y dirigirlo a una cámara desgasificadora donde se transforma en un material maleable formando lingotes.

Estos lingotes pasan por un proceso de laminado el cual se refiere a una deformación volumétrica donde se reduce el espesor inicial del mismo mediante las fuerzas de compresión que ejercen los rodillos. “El lingote queda sometido a la acción de una fuerza R normal a la superficie de contacto cuyas componentes son la componente horizontal o de estiramiento Ecuación 1 y componente normal o de aplastamiento Ecuación 2; el avance del lingote como se muestra en la Figura 2.1; es debido al rozamiento en la superficie de contacto, por lo que es necesario para que este avance se produzca debe de cumplir la desigualdad: fN > S”. (Laminación, 2010).

𝑆 = 𝑅 𝑠𝑒𝑛α ………..Ecuación 1 𝑁 = 𝑅 𝑠𝑒𝑛α ………..Ecuación 2

(12)

Página 8 Figura 2-1 Esquema de actuar de un Laminador (Laminación, 2010).

En la Industria de la construcción predominan dos tipos de laminados estructurales, secciones laminados en caliente y las secciones laminadas en frío.

Las secciones formadas en frio se derivan del adelgazamiento del lingote pasándolo por rodillos a una alta temperatura lo puede ocasionar que este corra el riesgo de pegarse para evitar esto se origina el proceso de laminado en frío como se muestra en la Figura 2.2; el cual consiste en enfriar los rodillos mediante un líquido que es 95% agua y 5% aceite.

(13)

Página 9 Los perfiles laminados en frío provienen de la cinta de acero la cual se somete a un proceso de perfilación mediante diversos rodillos, estos elementos se clasifican en tres categorías: miembros, paneles, ensamblajes prefabricados, cubiertas y revestimientos como podemos ver en la Figura 2.3; para estos perfiles se recomienda evitar la utilización de la soldadura cerca de

1.- Preparación Lingote 2. Lingote pasándolo por rodillos

3. Líquido 95% agua y 5% aceite 4. Laminación en frio y adelgazamiento

5. Adelgazamiento dependiendo de necesidades

6. Cinta de Acero

(14)

Página 10 las áreas de la sección trasversal. Este acero posee una importante cuota de mercado debido a sus ventajas sobre otros materiales de construcción y el apoyo de toda la industria proporcionada por diversas organizaciones que promueven la investigación.

Figura 2-3 Fabricación de Cubierta (Nota. Obra Plaza Comercial Urban Center-Boca del Rio, Ver., cinta de acero pasando por rodillos de la maquina roladora convirtiéndola en Lámina tipo KR-18).

2.2.- Comportamiento Estructural Local y Global

La construcción de acero conformado en frío es distinguida como contribuyente importante para la sostenibilidad y la construcción ecológica. En consecuencia el uso de este tipo de material ha ido avanzado por las innovaciones en sus aplicaciones estructurales.

Se unieron dos secciones de canales para construir secciones tipo I (vigas compuestas), las cuales fueron unidas a losas de concreto con 3 tipos de conectores de corte (un conector de corte de placa laminada en caliente, un conector de corte de soporte simple, conector de soporte doble), de acuerdo al estudio se determinó que los tres conectores son extremadamente dúctiles y tienen una capacidad de resistencia adecuada; los conectores de soporte doble mantuvieron

(15)

Página 11 mayor capacidad de momento de 13.9% en comparación con el conector simple y un 5% en comparación con el conector de placa laminada en caliente. (Bamaga et al., 2019).

Debido a un estudio realizado a dos columnas(compuesta y simple) las cuales fueron probadas mediante condiciones de control de desplazamiento, con carga de compresión aplicada por un actuador hidráulico, a ambas se le aplicaron transductores de desplazamiento para las mediciones de deflexión de brida en la mitad de la longitud de la columna, se concluye que la columna compuesta puede desarrollarse en secciones construidas, con una compresión axial y una capacidad de comportamiento de flexión superior a la suma de las secciones individuales, se observaron en columnas largas los modos de falla eran pandeo por flexión-torsión y para las columnas cortas su modo de falla es por pandeo por distorsión. (Bastos y Batista, 2019).

Se desarrolla un modelo de una columna de acero con varios tipos de refuerzo de borde en el estudio se obtuvieron los modos de falla local como se observa en la Figura 2.4; con distintas relaciones de esbeltez, distorsión, pandeo por flexión, así como la interacción entre estos modos. (Manikandan et al., 2017).

Figura 2-4 Modos de falla de pandeo por flexión con variaciones de relación de esbeltez (Manikandan et al.,2017)

Mediante el método de elementos finitos en el programa comercial ANSYS se desarrolló un estudio a un sistema de muro con refuerzo en X, se demostró que cuando se usan los requisitos

(16)

Página 12 de diseño de capacidad, se alcanza una conducta dúctil, y el perno de cuerda que está en compresión tiene una deformación de pandeo que resulta la disminución de la resistencia de la pared, lo que origino tensiones excesivas y fallas. Está claro que el refuerzo intermedio no participa en la resistencia de la pared de corte lateral; pero si como puntos de soporte laterales en el punto de conexión con las puntos inferiores y superiores, las placas de refuerzo que conectan las correas de los tirantes a la pared de corte proporcionan cierta rigidez a la conexión entre los pernos de cuerda y las pistas. (Abu-Hamd et al., 2018).

2.3.- Filosofía de Diseño

Se implementa la especificación Norteamericana para el diseño de miembros estructurales de acero conformado en frío (AISI S100-16) el cual se considera para definir los valores de los esfuerzos permisibles o factores de carga y resistencia; se utiliza también el RCCDMX fueron consideradas las especificaciones para establecer las combinaciones de carga a definir para el caso de estudio, se llevó a cabo un análisis elástico de segundo orden geométrico modal espectral mediante los criterios generales recomendados en el Manual de CFE 2015 para sismo, dichos criterios se utilizaron para calcular las fuerzas sísmicas a las que sera expuesta la estructura, se realiza un analisis elastico lineal de segundo orden geometrico y asi comparar las deformaciones correspondientes a los efectos de las cargas verticales y horizontales provenientes del sismo y viento.

2.4.- Implementación y Ventajas

A pesar de que anteriormente las secciones formadas en frío solamente se utilizaban como los miembros secundarios en estructuras de hormigón y de acero, hoy en día se utiliza como principales elementos estructurales (Doctolero y Batikha, 2018). En 1996, el consorcio del Instituto de Construcción de Acero, Centro Técnico Industrial de la construcción metálica, Comunidad Europea del Acero y Carbón llevaron a cabo los siguientes proyectos de demostración en Francia, Alemania, Finlandia y el Reino Unido (Durability of Ligth Steel Construction, 2014).

 Se edificó un proyecto de departamentos de cinco niveles en Rheims, que empleo estructura mixta de acero-hormigón y fracciones de acero ligero.

(17)

Página 13  En la Feria Anual de Finlandia se elaboraron casas de una y dos plantas empleando muros

y elementos estructurales de acero ligero con aislamiento térmico.

 Se edificó en Oxxford una residencia universitaria elaborada con estructura metálica ligera (Figura 2.5). la cual constituye de cuatro habitaciones, un departamento, tres dormitorios estudio

Figura 2-5 Residencia de Estudiantes en Oxford, Inglaterra (Durability of Ligth Steel Construction, 2014)

En el año 2018 se realizó una investigación referente al comportamiento observado de los edificios de metal Acero Conformado en Frio durante el huracán Harvey como se observa en la Figura 2.6, que tocó tierra el 25 de de agosto de, 2017, el cual sostenía velocidades de viento de 136 millas por hora (219 km/hr) en Texas (Early, 2018).

(18)

Página 14 Se realizó una inspección adecuada de la estructura para verificar su comportamiento de la estructura la cual ha sido analizada bajo carga extrema como una estructura pre-dañado y la estructura post-dañado, y se concluyó que la estructura fue construida y diseñada antes del año 2000 por lo que los diseñadores utilizaron el código ASCE 7-93 para determinar las acciones de carga esperadas. Se analizaron las condiciones de carga mediante el código ASCE 7-10 y así pueda existir una comparación entre los códigos antiguos y nuevos lo cual permitió hacer recomendaciones razonables para para mejorar las futuras normas de diseño, por lo que se concluyó que la estructura no fue diseñada para cumplir con los estándares de códigos actuales. (Early, 2018).

Tras el paso del huracán Sandy en 2012 en la zona habitacional de Santiago de Cuba presento daños significativos con derrumbes parciales y totales; ya que es una zona de alta sismicidad. Esto origino la aprobación de la construcción de viviendas en dicha zona, para lo cual en el año 2013 fue introducida en Cuba dichas de edificaciones metálicas realizadas con perfiles ligeros conformados. (Segura-Barrientos, 2018).

Se consideraron normas con características homologadas que analiza el código AISI (Instituto Americano del Hierro y Acero); ya que no se dispone de metodologías actualizadas de acuerdo a los avances científicos para el análisis y diseño de edificios estructurados con acero ligero (Segura-Barrientos, 2018).

Actualmente en Estados Unidos, como en Alemania solo por mencionar algunos cuentan con kits de marcos como se muestra en la Figura 2.7 (Viga, Techo, Muros, Marcos) de acero conformado en frio para su venta, lo cual esto disminuye el tiempo de instalación y ejecución de la obra. Este material ha sido utilizado para varios tipos de edificios considerando los tipos residenciales, comerciales, sanitario, industrial y educación y se ha observado que proporciona resultados de una vida útil extensa

(19)

Página 15 También se cuenta con una normatividad para el estudio y diseño de este material, publicado recientemente por el Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI), denominado manual de diseño de acero conformado en frio 2017, que se utilizara en conjunto con la Especificación Norteamericana para el diseño de miembros estructurales de acero conformado en frío (AISI S100-16).

En México no se tienen normativas o manuales para el diseño y utilización de este tipo material, lo cual genera incertidumbre en su proceso de diseño; por lo que surge la necesidad de realizar una metodología de diseño empleando el manual AISI Diseño de Acero Rolado en Frio, para complementar la reglamentación y Normatividad existente (Normas Técnicas Complementarias y el Reglamento de Construcción del DF) y así verificar hasta qué punto es competitivo la

Figura 2-7 Kits de Estructura de Acero Conformado en Frío (Steel Cold-Formed

(20)

Página 16 utilización de este material tanto en su estructura primaria y secundaria, claro está teniendo en cuenta las siguientes recomendaciones:

“Recomendaciones generales para la estructuración de edificios de acero” (Cházaro Rosario y Guerra Vanegas, 2019):

 Poco peso

 Sencillez, simetría y regularidad en planta

 Plantas poco alargadas con una relación largo/ancho < 2.5  Uniformidad de rigidez en elevación

 Que las propiedades dinámicas de la estructura se adecue en función de las propiedades dinámicas del terreno

Se concluye que para el desarrollo de cualquier tipo de estructura es necesario evaluar todas y cada una de las problemáticas del proyecto para que la estructuración resulte con un funcionamiento adecuado y cumpla con los requisitos de seguridad para poder satisfacer las necesidades del cliente.

(21)

Página 17 3- Descripción del Caso de Estudio

Se hace mención sobre la descripción, características y propiedades geométricas del modelo numérico propuesto para su análisis así como las consideraciones estructurales de acuerdo a los criterios establecidos en RCCDMX, MDOC CFE Sismo 2015, MDOC CFE Viento 2008 que se utilizaron para el desarrollo del mismo.

3.1.-Descripción de la Edificación

El edificio es una propuesta de departamentos de vivienda para estudiantes y no se encuentra construido actualmente el cual consta de cinco niveles como se puede ver en la Figura 3.1; las características del inmueble son las siguientes la altura entre los entrepisos es de 3.50 m; por lo que su altura total 17.50 m; en sección transversal al eje X se tienen cinco crujías de 2.00 m entre ejes que suman 10.00 m en su base en sección transversal al eje Y se tienen cinco crujías de 3.00 m entre ejes, que implica una base de 15.00 m; su área de construcción total es 750.00 m2, las propiedades geométricas se describen en las Figuras de 3.2 a 3.5.

17.50 m

(22)

Página 18 Figura 3-2 Planta Arquitectónica

(23)

Página 19

Figura 3-5 Azotea Figura 3-4 Fachadas Laterales

(24)

Página 20 El edificio propuesto está ubicado en la calle av. Framboyanes ó S.S. Juan Pablo II entre calle Casuarina y Av. Urano, Boca del Rio, Veracruz como se describe en la Figura 3.6 cuyas coordenadas son las siguientes: Latitud: 19° 9'36.23"N,Longitud: 96° 6'58.87"O.

Edificio

(25)

Página 21 3.2.- Condiciones Estructurales para Diseño

De acuerdo con el RCCMX para el diseño de las estructuras se deben considerar su uso, tamaño y su importancia dentro de un contexto urbano y por el tipo del suelo sobre el que se desplantan, entre otras; teniendo en cuenta que es un edificio destinado a para vivienda y cuenta con 5 niveles, la estructura analizada se clasifica dentro del Grupo B y subgrupo B1, aquí se agrupan estructuras cuya altura mayor es de 13 m o área total construida mayor a 3000m2.

Considerando los criterios establecidos en el MDOC CFE sismo 2015 establecido de la Tabla 4.2 donde indica que deberá evaluarse la altura del edificio entre la base del mismo y este no debe exceder el factor de 0.5 para considerarse como estructura ligera de baja altura:

𝐵𝑎𝑗𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 ℎ 𝑏≤ 0.5 Aplicando lo anterior: 𝐵𝑎𝑗𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 17.50 𝑚 10.00 𝑚 ≤ 0.5 𝐵𝑎𝑗𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 1.75 ≤ 0.5 (𝑁𝑜 𝐶𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒)

Se considera un edificio de gran altura con un amortiguamiento del 4% debido a que no cumple con lo establecido con el manual MDOC CFE sismo 2015 por lo que es determinado como sistema estructural de marcos de acero arriostrados por contraventeos concéntricos, excéntricos o bien rigidizados por placas de acero.

Las losa de azotea y entrepiso serán son losas compuestas de lámina losacero y concreto, el sistema estructural de estudio propuesto consiste de un sistema principal a base de Columnas y Vigas en forma de cajón a base de perfil 2CF frente frente 254x 89x14; un sistema secundario a base de Columnas y Vigas de perfil CF 254x 89x14; de igual manera no se toma en cuenta la interacción suelo estructura por dar facilidad de empotrado en la cimentación.

Para efectos de comportamiento para las acciones accidentales se consideraron tres tipos de modelos, un primer caso considerando el modelo sin contraventeo y dos casos considerando

(26)

Página 22 contraventeos con una distribución diferente cada uno esto se puede observar en las Figuras 3.7 y 3.8.

Figura 3-7Modelo sin contraventeo (C-1)

(27)

Página 23 3.2.1.- Descripción de la Estructura

El edificio esta configurado perfiles de acero ver Figura 3.9 , las columnas principales; trabes principales, trabes secundarias, soportes para muros, dichos elementos se estructuraron con el perfil de acero rolado en frio denominado Canal Monten, de la gran variedad que existe de este tipo de perfil se propone el perfil CF 10” cal. 14, cuyas caracteristicas geómetricas se muestran en la Tabla 3.1; y para los contraventeos se propone el perfil OC 102 mm x 8mm cuyas carateristicas geometricas se muestran la Tabla 3.2.

Figura 3-9Perfiles propuestos

Tabla 3.1

Dimensiones del perfil

Designación Peso Peralte (ho)

Espesor

(tw) Patín (bo) c r

mm x cal. in x cal. Kg/m mm mm mm mm mm

254 x 89 x 14 10 x 3-1/2” x 14 6.75 254 1. 90 88. 9 20.3 4.76

Nota. Fuente: (IMCA-5ta.edición) ; ho= Peralte del perfil; tw= Espesor nominal del alma; bo= Ancho del patín;

c=Dimensión de la ceja; r= Radio; mm= milímetros; cal=calibre; in=pulgada; Kg=Kilogramo; m=metro. Perfil OC PTE circular

(28)

Página 24 La configuración y designación de cada a uno de los elementos estructurales se muestra en la Figura 3.10

Figura 3.10 Configuración de Elementos

El modelado y el análisis estructural se desarrolló en el programa de elementos finitos denominado SAP2000 v.16 como se muestra en las Figuras 3.11 a la Figura 3.14; las unidades a emplear son KN/m2; la estructura cuenta con las siguientes características:

 Las losas de entrepiso y azotea tienen un espesor de 15 cm y 12 cm respectivamente.  La separación entre columnas en eje X es @ 2.00 m.

 La separación entre columnas en eje Y es @ 3.00 m.

 La separación entre los elementos que soportan los muros en eje X es @ 0.3492 m.  La separación entre los elementos que soportan los muros en eje Y es @ 0.3527 m.  La longitud de los contraventeos en eje X es de @ 3.68 m.

 La longitud de los contraventeos en eje Y es de @ 4.30 m. Tabla 3.2

Dimensiones del perfil

Designación Peso Área

(cm2)

Pandeo Local (D/t)

mm x mm in x in Kg/m mm

102 x 8.0 4 x 0.31 18.36 21.87 13.73

(29)

Página 25  La condición de frontera para los soportes de muro se consideran solo a

desplazamiento.

 La condición de frontera para las columnas se consideran solo apoyo fijo.

Figura 3.11 Modelo Edificio de 5 niveles a base de perfiles rolados en frio

(30)

Página 26 Figura 3.14Fachada Eje X (Izquierda); Fachada eje Y (Derecha), C-3

(31)

Página 27 3.2.2.- Análisis de Cargas y Acciones

Las estructuras presentan acciones (cargas) las cuales viajan por el cuerpo de la estructura hasta llegar a los apoyos generando reacciones. También en las estructuras se presentan efectos (cargas) como de viento y sismo, aquí se mencionan las principales acciones que se presentan en la estructura, los valores que deben considerarse para el diseño a manera de determinar sus efectos:

 Carga Muerta  Carga Viva

 Efectos del Viento  Efectos de Sismo

Para la propuesta de Azotea se consideran las siguientes cargas mostradas en la Tabla 3.3 y su distribución se muestra en la Figura 3.15:

 Carga Muerta super impuesta para azotea de 171.86 kg/m2  Peso Propio de 161.0 kg/m2

(32)

Página 28 Tabla 3.3

Carga Muerta y Peso propio para Azotea

# Elemento Peso Específico (γ) Espesor (e) Peso Kg/m3 m Kg/m2 1 Impermeabilizante 0.04 0.27

2 Escobillado (mortero cemento -arena)/ Entortado

relleno 2100 0.05 105

3 Falso plafond (Durock) Tabla- Cement 0.0127 11.59

Instalaciones 15.00

Carga Muerta Adicional (NTC 5.1.2) 40.00

Total Carga Muerta Super-impuesta (CMS) en kN/m2 1.6854

4 Losacero + Concreto (15 cal. 22) 0.881 161.00

Total Carga Peso Propio (Pp) en kN/m2 1.5789

Para la propuesta de entrepiso se consideran las cargas mostradas en la Tabla 3.4 y su distribución se muestra en la Figura 3.16:

 Carga muerta para entrepiso de 126.82 kg/m2  Peso Propio de 161.0 kg/m2

(33)

Página 29 Tabla 3.4

Carga Muerta y Peso propio para Entrepiso

# Elemento Peso

Específico (γ)

Espesor

(e) Peso

Kg/m3 m Kg/m2

1 Loseta (Mosaico de pasta) 35.00

2 Pega-azulejo 1473 0.01 14.73

3 Firme de concreto (mortero cemento -arena) 2100 0.05 105

4 Falso plafond (Durock) 0.0127 11.59

Instalaciones 15.00

Carga Muerta Adicional (NTC 5.1.2) 40.00

Total Carga Muerta Super-impuesta (CMS) en kN/m2 1.2437

5 Losacero + Concreto (15 cal. 22) 0.881 161.00

Total Carga Peso Propio (Pp) en kN/m2 1.5789

De acuerdo al RCCDMX se consideran las siguientes Cargas Vivas para Azotea:

 carga viva máxima de 100 kg/m2  carga viva instantánea de 70 kg/m2

y las siguientes Cargas Vivas para Entrepiso:

 carga viva máxima de 190 kg/m2  carga viva instantánea de 100 kg/m2

3.3.-Consideraciones para la Simulación Numérica

La estructura se analizó con los criterios estructurales del reglamento RCCDMX, 2017; las acciones accidentales se determinaron mediante los criterios de los manuales de CFE Viento 2008 y CFE Sismo 2015. El diseño estructural consideró los estados de límite de servicio por deformación vertical y horizontal con el fin de que el edificio desarrolle un comportamiento estructural racional. El comportamiento estructural se evaluó mediante sus propiedades dinámicas y su factor de amplificación de momentos por efectos de segundo orden geométrico, finalmente se determinaron las acciones dominantes de su diseño.

(34)

Página 30 Combinaciones de Carga

Las combinaciones de carga de resistencia que intervienen en nuestro modelo, cuenta con los factores de carga determinados en RCCDMX de acuerdo a lo anterior las combinaciones de carga a utilizar son las siguientes que se muestran en la Tabla 3.5.

Tabla 3.5

Factores y Combinaciones de Carga para Caso Lineal y Caso No Lineal

# Combinación de Carga

1 1.3 CMS + 1.3 Pp

2 1.3 CMS + 1.3 Pp + 1.5 CVmax

3 1.1 CMS + 1.1 Pp + 1.1 CVinst + 1.1 CVientoX

4 1.1 CMS + 1.1 Pp + 1.1 CVinst + 1.1 CVientoY

5 1.1 CMS + 1.1 Pp + 1.1 CVinst + 1.1 Sis X-1 + 0.33 Sis Y-1 6 1.1 CMS + 1.1 Pp + 1.1 CVinst + 0.33 Sis X-1 + 1.1 Sis Y-1

Nota. CMS= Carga Muerta Superimpuesta; Pp=Peso propio; CVmax=Carga Viva Máxima; CVinst=Carga Viva Instantánea; Viento= Carga Viento; Sis X=Sismo en X; Sis Y =Sismo en Y

Para la revisión de los desplazamientos permisibles de acuerdo a las cargas accidentales para viento y sismo se consideraron las siguientes combinaciones de servicio las cuales se muestran en la Tabla 3.7.

Tabla 3.7

Factores y Combinaciones de Carga

Acción Nomenclatura Combinación de Carga

Sismo (Estado Limite Ultimo)

Comb-1 1.0 CMS+1.0Pp+1.0CVinst+1.0Sis X-1+0.3 Sis Y-1 Comb-2 1.0 CMS+1.0Pp+1.0CVinst+0.3Sis X-1+1.0 Sis Y-1 Sismo (Estado

Limite Servicio)

Comb-3 1.0 CMS+1.0Pp+1.0CVinst+(1.0/5.5)Sis X-1+(0.3/5.5) Sis Y-1 Comb-4 1.0 CMS+1.0Pp+1.0CVinst+(0.3/5.5)Sis X-1+(1.0/5.5) Sis Y-1

Viento Comb-5 1.0 CMS+1.0Pp+1.0CVinst+1.0CVientoX Comb-6 1.0 CMS+1.0Pp+1.0CVinst+1.0CVientoY

Nota: Considerando en todas las combinaciones Caso Estático Lineal y Caso Estático No Lineal considerando efectos P-Delta desplazamientos grandes

(35)

Página 31 Distribuciones de presiones de viento

De acuerdo a las condiciones del Manual CFE Viento 2008; se realizó el análisis y diseño por viento de nuestra estructura suponiendo que el viento actúa en dos direcciones X, Y; se consideró una velocidad regional de VR= 170 Km/hr y un periodo de retorno de 50 años, ya que la estructura pertenece al grupo B. Dando como resultado las fuerzas de presión y succión a las cuales la estructura estará sometida las cuales se muestran en las Figuras 3.17 a la Figura 3.20. Dichas fuerzas se someterán a un análisis los cuales deberán cumplir con los criterios establecidos para la revisión de desplazamientos permisibles.

Figura 3.17 Presiones de Diseño en dirección X (Muro Barlovento, Muro Sotavento, Techo)

(36)

Página 32 Figura 3.19Presiones de Diseño en dirección Y (Muro Barlovento, Muro Sotavento)

(37)

Página 33 Consideraciones para Análisis Sísmico

México es un país activo sísmicamente por lo que es importante tomar en cuenta los criterios requeridos para que las estructuras resistan adecuadamente a los efectos que originan los sismos, dichos criterios es tan basados en la metodología del Manual de Diseño de Obras Civiles (Diseño por Sismo) CFE, 2015.

Las estructuras se analizarán bajo las acciones de dos componentes horizontales ortogonales de movimiento del terreno. De acuerdo a la ubicación de la estructura esta se encuentra en una regionalización sísmica tipo B; como se observa en la Figura 3.21 se realizará un Análisis Sísmico Dinámico por medio de MDOC-CFE 2015 y el espectro sísmico que se obtendrá es el Espectro Probabilista de Referencia (ER)

Figura 3.21 Regionalización Sísmica (Boca del Rio, Veracruz), (Prodisis, 2015)

En base a MDOC Sismo 2015 indica que debe realizarse una revisión de la rigidez de la estructura, considerando la revisión de desplazamientos por limitación de daños (Estado Limite de Servicio Funcionalidad) y la revisión de los desplazamientos para la seguridad contra colapso (Estado Limite Ultimo de Resistencia).

Para la revisión del Estado Límite de Seguridad contra colapso se consideraron los siguientes factores que se muestran en la Tabla 3.8; para la modificación del espectro anteriormente

(38)

Página 34 mencionado como se muestra en la Figura 3.22. De igual manera para la revisión del Estado de Limitación de daños ante sismos frecuentes se consideraron los siguientes factores de servicio de 5.5 para la modificación del espectro.

Los valores de los factores de modificación se consideraron tomando en cuenta lo siguiente: un factor de comportamiento (Q); debido a que la resistencia a fuerzas laterales es suministrada por losas planas con columnas de acero; un factor de resistencia (Ro) son marcos de acero estructural; factor de redundancia (ρ) cuando en la estructuras con al menos dos marcos y disponga de al menos 2 crujías.

Tabla 3.8

Factores que Modifican al Espectro Variable Factor

Q 2

Ro 2

ρ 1

α 1

Nota: Valores para revisión de Estado Limite de Seguridad contra Colapso

3.3.1.- Descripción de modelo Numérico

Para los modelos propuestos las unidades de medida en las que se trabaja, son KN-m, se define el tipo de material acero comercial ASTM-A500 Grado B, cuyo esfuerzo de fluencia (Fy=3,515

Figura 3.22 Espectro probabilista de Referencia Transparente (Prodisis, 2015)

Espectro Transparente modificado por Amortiguamiento 4%.

(39)

Página 35 kg/cm2), y su resistencia a tracción (Fu=4,100 kg/cm2), se definen las secciones para columnas, vigas y contraventeos que forman los marco; también se definen las restricciones.

Las secciones de los elementos de las columnas principales y vigas principales están conformados por 2 perfiles CF tipo cajón como se muestra en la Figura 3.23, las secciones de los elementos de las columnas secundarias denominadas soporte de muros y vigas secundarias está conformado por perfil CF como se muestra en la Figura 3.24, y los contraventeos están conformados por perfil OC como se muestra en la Figura 3.25.

C O L U M N A S

Figura 3.23 Elementos Columnas y Vigas Principales

S O P O R T E

(40)

Página 36 Se consideran condiciones de frontera en la base de la estructura para columnas principales se considera apoyo móvil y para soportes de muro se considera apoyo simple como se muestra en la Figura 3.24 y los detalles del tipo de conexiones se presenta en la Figura 3.26 a la Figura 3.29.

C O N T R A V E N T E O

Figura 3.25 Elementos Contraventeos

(41)

Página 37 Figura 3.27Detalles de Conexiones

(42)

Página 38 Figura 3.28Conexiones

(43)

Página 39 Figura 3.29Conexiones

Se definieron las secciones tipo área (losas y muros) como elementos None lo cual se muestra en la Figura 3.30; se indican los 62 tableros que conforman la losa de azotea y los 60 tableros que conforman cada una de las losas de entrepiso. Cabe mencionar que los elementos None son un objeto de área que está sujeto a condiciones de carga uniforme, lo cual indica que el objeto área se eliminara aunque las cargas se comunican a los objetos estructurales como si este elemento estuviera mostrando los resultados en los nudos de forma independiente.

(44)

Página 40 Nota: 62 tableros en Azotea Nota: 60 tableros en Entrepiso

3.3.2.- Descripción del Análisis Estructural

Se considera un análisis modal (Vector Ritz) espectral el cual evalúa los modos de respuesta de la estructura ante una cierta acción en particular; de igual forma se estima un análisis estático considerando la no linealidad geométrica (efectos P-Delta) y el comportamiento elástico e inelástico de cada uno de los elementos que conforman la estructura; lo cual nos permitirá conocer los desplazamientos horizontales y verticales que sufrirá la estructura al ser sometida a acciones de diseño (acciones permanentes, acciones variables, acciones accidentales); los periodos, amortiguamiento y modos de vibración de la estructura se estimaron aplicando el método de análisis modal anteriormente mencionado utilizando un espectro de diseño transparente previamente establecido con el cual se descompone el movimiento dinámico de la estructura en formas modales donde cada forma modal tiene una masa la cual se asocia a una aceleración del espectro de diseño, también fueron considerados un máximo de 6 número de modos de cambios estructurales el cual asegure un mínimo del 90% de la participación de masas en las direcciones X, Y.

(45)

Página 41 3.4.- Criterios de Diseño por Servicio

Todas las estructuras deberán diseñarse y analizarse para cumplir con los requisitos básicos como la seguridad adecuada contra el colapso y no rebasar los estados limite (falla y servicio), de acuerdo al análisis modal vector-Ritz se obtienen las propiedades dinámicas o parámetros modales que son los periodos, amortiguamiento y modos de vibración; también se considera la revisión por cortante basal, revisión de los desplazamientos laterales, revisión por desplazamientos permisibles, mediante los criterios de MDOC CFE 2015 y NTC-2017 correspondientes para sismo, viento y se revisa la amplificación de momento en columnas por efecto de 2° orden.

Revisión por Cortante Basal: De acuerdo a (CFE-MDOC-Sismo 2015) donde indica que la relación cortante entre el peso total de la estructura debe ser menor que el 70% de la aceleración entre el factor del factor por ductilidad (Q´) por el factor de sobrerresistencia (R) por el factor de redundancia (ρ) como se muestra en la siguiente expresión de la Ecuación 1.

𝑉 𝑊<

0.7 𝑎

𝑄´𝑅 𝜌 ………..Ecuación 1

Revisión por Desplazamientos Laterales: De acuerdo a (CFE-MDOC-Sismo 2015) indica que las distorsiones obtenidas con el espectro no debe exceder el valor de la distorsión límite (ϒmax); por lo que se verificara que dichas distorsiones cumplan los requisitos de los siguientes estados límite:

 Estado Límite de Seguridad contra Colapso (Estado Límite Ultimo de Resistencia): indica que el espectro modificado por los factores de comportamiento, resistencia y redundancia y a su vez multiplicado por los factores de comportamiento y resistencia no exceda el valor de la distorsión límite de 0.015 para marcos de acero.

 Estado de Limitación de daños ante sismos frecuentes (Estado Límite de Servicio Funcionalidad): indica que el espectro transparente debe dividirse por el factor de servicio de 5.5 y dicho espectro no deberá exceder las distorsiones límite de 0.002 y de 0.004 el primero si existen elementos capaces de soportar deformaciones y el segundo cuando no existan elementos incapaces de soportar dichas deformaciones.

(46)

Página 42 Revisión Desplazamientos Permisibles: De acuerdo a (RCCDMX) donde indica que los desplazamientos relativos entre los niveles no excedan los siguientes valores.

a) Cuando no existan elementos de relleno que puedan dañar las deformaciones angulares: 0.005.

b) Cuando existan elementos de relleno que puedan dañar las deformaciones angulares: 0.002.

Amplificación de Momentos por Efecto de Segundo Orden

Estos efectos se refieren a una carga lateral que produce desplazamiento horizontal Δ (Delta) en los extremos de los elementos, dicho desplazamiento trabaja en conjunto con una carga vertical P que se aplica a los elementos por lo que se genera un momento adicional (P-Δ) que incrementa el desplazamiento lateral y un incremento de las solicitaciones de ahí se conoce como efecto (P-Δ) o efectos de segundo orden, ver Figura 3.31.

(47)

Página 43 4- Evaluación Estructural del Edificio

En este capítulo se revisan los desplazamientos laterales del edificio ante varias propuestas de estructuración lateral, asimismo las necesidades de la estructura para satisfacer los requerimientos de los manuales y reglamentos aplicados.

4.1.- Propiedades Dinámicas

Se realiza la revisión de los criterios mencionados en la sección 3.4 para cada una de las tres propuestas nombradas en la sección 3.2.1; es oportuno mencionar que cada propuesta tiene diferente rigidez lateral. En base a los tres tipos de estructuración lateral del edificio, en la Figura 4.1 se exhiben los periodos fundamentales que tienen una masa modal acumulada mayor del 90%.

Figura 4-1 Comparación de Periodos para los tres casos propuestos

Nota: Dir-X,Dir-Y,Dir-Z = Dirección X, Dirección Y, Dirección Z

1.1 0 0.4 9 0.3 3 0.7 9 0.4 2 0.2 7 0.4 0 0.1 4 0.1 1 0.2 8 0.1 1 0.0 9 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

Dir-Y Dir-X Dir-X Dir-X Dir-Y Dir-Y Dir-Z Dir-Z Dir-Z Dir-Z Dir-Y Dir-Y

Modo 1 Modo 2 Modo 3 Modo 4

Pe ri odo (Seg) C-1 C-2 C-3

(48)

Página 44 En la figura anterior se observa que debido a la rigidez lateral que proporcionan los contraventeos la estructura exhibe una disminución de los periodos al pasar de C-1 a C-3 en cada una de sus formas modales, el Modo 1 del C-2 presenta un decremento alrededor del 55% contra el C-1; el C-3 presenta una disminución alrededor del 70% contra el C-1; para el Modo 2 del C-2 expone una disminución alrededor del 47% contra el C-1, el C-3 expresa una disminución alrededor del 66% contra el C-1; para el Modo 3 el C-2 representa una disminución alrededor del 65% contra el 1, el 3 presenta una disminución alrededor del 70% contra el 1; y para el Modo 4 el C-2 exhibe una disminución alrededor del 55% contra el C-1, el C-3 presenta una disminución alrededor del 73% contra el C-1, por lo que las estructuras del C-2 y C-3 tienen mayor rigidez lateral. Se exhibe que el periodo fundamental para el C-1 es superior a un segundo y tomando en cuenta los criterios del manual CFE Viento 2015 donde la relación de la altura de la construcción y la dimensión mínima de la base es menor a cinco y que la planta de la estructura es rectangular no es necesario calcular su periodo fundamental ya que no se está diseñando solo se analiza por medio de análisis estático.

En la Figura 4.2 y 4.3 se observa los modos de vibración que contribuyen

significativamente sobre la respuesta dinámica de la estructura

el primer y segundo modo de vibración tienen cerca del 80% de participación de las masas esto es congruente debido a que la estructura es regular desde el punto de vista de la rigidez y de la distribución de cargas, el modo de vibración cuatro cumple con los requerimientos del manual que indica que la suma de la masa modal efectiva debe ser por lo menos del 90% de las masas participativas en las direcciones X, Y.

(49)

Página 45

Figura 4-2Porcentaje de participación de masas acumuladas en dirección X

Figura 4-3 Porcentaje de participación de masas acumulados en dirección Y

0% 77% 82% 87% 77% 82% 87% 96% 98% 92% 96% 98% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% C-1 C-2 C-3 C-1 C-2 C-3 C-1 C-2 C-3 C-1 C-2 C-3

Modo 1 Modo 2 Modo 3 Modo 4

Ʃx (% Parti cipac ión de Masas) 87% 0% 0% 87% 76% 82% 94% 76% 82% 97% 95% 98% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% C-1 C-2 C-3 C-1 C-2 C-3 C-1 C-2 C-3 C-1 C-2 C-3

Modo 1 Modo 2 Modo 3 Modo 4

Ʃy (% Par ticipación de Masas)

(50)

Página 46 Figura 4-4Forma de Deformadas de la Estructura

(51)

Página 47 De la Figura 4.4 se observa que los modos de vibración 1 y 2 respectivamente donde la primera forma modal en todos los casos es traslacional no obstante en el caso C-1 la dirección de los desplazamientos es en dirección longitudinal en contraste con los casos C-2 y C-3 es en dirección transversal a C-1 sin ninguna rotación relevante, en los tres casos la segunda forma modal es traslacional de igual manera que en la primera pero en la otra dirección ortogonal respectivamente y para el tercer modo de vibración es rotacional en todos los casos.

4.2.- Amplificación por Efectos de Segundo Orden

Se lleva a cabo la revisión por cortante basal, revisión de los estados límite de servicio mediante los criterios de MDOC sismo 2015, NTC-2017 correspondientes para sismo, viento y se revisa la amplificación de momento en columnas por efecto de 2° orden en los casos de estudio.

Revisión por Cortante Basal: Se realizó la revisión del cortante basal (CFE 2015) con el objetivo de verificar que el análisis dinámico obtuviera el 70% del cortante basal estático tal como recomienda el manual, la Figura 4.5 muestra los parámetros para la evaluación donde se revisaron los efectos de segundo orden con el objetivo de ver la susceptibilidad de la estructura a desarrollar este tipo de efectos.

Figura 4-5 Ubicación de Modos de Vibración en Espectro 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 Sa (Te, β ) (c m/s^2) Periodo Te (s) Espectro de Diseño Modo 1 (C-1) Modo 2 (C-1) Modo 3 (C-1) Modo 1 (C-2) Modo 2 (C-2) Modo 3 (C-2) Modo 1 (C-3) Modo 2 (C-3) Modo 3 (C-3) 70% Cortante Basal

(52)

Página 48 En los tres casos analizados se observa que los tres modos de C-2 y C-3 y el modo 3 del C-1 se encuentran en la meseta del espectro y para los modos del C-1 el modo 1 y el modo 2 caen en la rama descendente del espectro sin estar por debajo del 70% del cortante basal por lo que la estructura es regular y no es sensible a los efectos del sismo por lo que se cumple con la condición del cortante mínimo especificada en el manual.

Revisión de Estado Limite para Sismo: Se evaluaron los desplazamientos máximos en cada sentido para ello se comparan los resultados bajo las combinaciones consideradas para efectos de sismo (Comb-1 y Comb-2) para Estado Limite Último y bajo las combinaciones (Comb-3 y Comb-4) para Estado Limite de Servicio, para ello se comparan los resultados del nodo 76 y el nodo 86 que exhiben los mayores desplazamientos en dirección X, Y, respectivamente que en todos los casos está en la columnas ver Figura 4.6 para esta evaluación se toma como base el C-1.

En la Figura 4.7 se exhiben las distorsiones ocasionadas por los efectos de sismo para el estado límite último y en la Figura 4.8 se muestras las distorsiones por los efectos de sismo para el estado límite de servicio.

Figura 4-6 Esquinas del modelo correspondiente al nodo 76 (línea roja) y el nodo 86 (línea amarilla)

(53)

Página 49 Figura 4-7 Distorsiones correspondientes para Estado Limite Último

0 1 2 3 4 5 0 0.002 0.004 0.006 0.008 Entrepi so Distorsión Distorsión X Distorsión Y Distorsión X (NL) Distorsión Y (NL) 0 1 2 3 4 5 0 0.0004 0.0008 0.0012 0.0016 0.002 Entrepi so Distorsión Distorsión X Distorsión Y Distorsión X (NL) Distorsión Y (NL) 0 1 2 3 4 5 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 Entrepiso Distorsión Distorsión X Distorsión Y Distorsión X (NL) Distorsión Y (NL) C-1 C-2 C-3

(54)

Página 50 Figura 4-8 Distorsiones correspondientes para Estado Límite de Servicio

0 1 2 3 4 5 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 Entrepi so Distorsión Distorsión X Distorsión Y Distorsión X (NL) Distorsión Y (NL) 0 1 2 3 4 5 0.00000 0.00004 0.00008 0.00012 0.00016 0.00020 0.00024 0.00028 0.00032 Entrepi so Distorsión Distorsión X Distorsión Y Distorsión X (NL) Distorsión Y (NL) 0 1 2 3 4 5 0.00000 0.00004 0.00008 0.00012 0.00016 0.00020 Entrepi so Distorsión Distorsión X Distorsión Y Distorsión X (NL) Distorsión Y (NL) C-1 C-2 C-3

(55)

Página 51 En la Figura 4.7 se exhibe las distorsiones entre los entrepisos de la estructura provocadas por los desplazamientos que se originan en las columnas, para C-1 la distorsión en dirección Y presenta un incremento aproximadamente del 45% con respecto a la dirección X; C-2 la distorsión en dirección Y presenta una disminución aproximadamente del 20% con respecto a la dirección X; para C-3 la distorsión en dirección Y presenta un decremento aproximadamente del 30% con respecto a la dirección X.

En la Figura 4.8 se observan las distorsiones de entrepisos de la estructura para el C-1 la distorsión en dirección Y presenta un incremento aproximadamente del 40% con respecto a la dirección X; para C-2 la distorsión en dirección Y presenta un decremento aproximadamente del 24% con respecto a la dirección X; para C-3 la distorsión en dirección Y presenta un decremento aproximadamente del 1.8% con respecto a la dirección X.

Comparando los resultados de las Figuras 4.17 y 4.18 de los casos lineales y no lineales con el objetivo de evaluar los efectos de segundo orden en la estructura analizada se obtiene que C-2 y el C-3 se observa un decremento de 0.09% con respecto a C-1, en general existe un promedio del 13% entre los tres casos, por lo que esta estructuración cumple con las condiciones indicadas para las distorsiones máximas por lo que se considera que la estructura no es sensible a los efectos de segundo orden y tampoco sufre afectaciones de desplazamientos laterales importantes causados por eventos sísmicos.

(56)

Página 52 Revisión de Desplazamientos para Viento: Se evaluaron los desplazamientos máximos en cada sentido para ello se comparan los resultados bajo las combinaciones consideradas para efectos de sismo (Comb-5 y Comb-6) para desplazamientos para ello se comparan los resultados del nodo 136 y el nodo 86 que exhiben los mayores desplazamientos en dirección X, Y, respectivamente que en todos los casos está en la columnas ver Figura 4.9 para esta evaluación se toma como base el C-1.

Figura 4-9 Esquinas del modelo correspondiente al nodo 136 (línea roja) y al nodo 86 (línea amarilla).

En la Figura 4.10 se observan las distorsiones entre los entrepisos de la estructura provocadas por los desplazamientos, el comportamiento estructural es muy débil para el C-1 ya que se encuentra aproximadamente un 23% por encima de los límites establecidos para las direcciones X, Y; para C-2 a pesar de que se propone contraventeo lateral solo los desplazamientos en dirección Y cumple cuando en la estructura exista o no existan elementos de relleno que puedan dañar las deformaciones; en cambio las distorsiones en dirección X solo cumple cuando en la estructura no existan los elementos de relleno, para C-3 las distorsiones para las direcciones X,Y; cumplen ambos criterios.

(57)

Página 53 Figura 4-10Distorsiones correspondientes para revisión de Desplazamientos

0 1 2 3 4 5 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 Entrepi so Distorsión Distorsión X Distorsión Y Distorsión X (NL) Distorsión Y (NL) ϒ-1max ϒ-2max 0 1 2 3 4 5 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 Entrepi so Distorsión Distorsión X Distorsión Y Distorsión X (NL) Distorsión Y (NL) ϒ-1max ϒ-2max 0 1 2 3 4 5 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 Entrepi so Distorsión Distorsión X Distorsión Y Distorsión X (NL) Distorsión Y (NL) ϒ-1max ϒ-2max C-2 C-1 C-3

(58)

Página 54 Conforme a los resultados exhibidos en las Figuras 4.10 existe una disminución de 6% con respecto al caso estático no lineal (P-Delta) referente a las distorsiones, también se observa que la estructura de C-1 no cumple con las condiciones indicadas para las distorsiones máximas por lo que se considera que la estructura es muy débil a las acciones de viento; es por ello que en el C-2 y C-3 se crea la propuesta de contraventeo con diferente distribución para que la estructura cuente con la rigidez necesaria, se exhibe que la estructura del C-2 no cumple con las condiciones indicadas para las distorsiones máximas por lo que se considera que la estructura es muy débil a las acciones de viento, en cambio para el caso tres debido a la configuración propuesta de contraventeos la estructura cuenta con rigidez adecuada para garantizar estabilidad frente a las cargas de viento a la estructura; para los efectos de viento la amplificación de momento por efectos de segundo orden es menor al 1% por lo que estos efectos son despreciables y la estructura no es apta a desarrollar estos efectos.

Se concluye que las distorsiones para los efectos de sismo y viento son iguales para el caso lineal como el caso no lineal, las cuales no exceden las distorsiones máximas establecidas por lo que se considera que los efectos de segundo orden son despreciables (CFE Sismo 2015; RCCDMX), ya que es visible que para los efectos de sismo y viento tanto para el caso lineal como el caso no lineal las distorsiones no exceden los siguientes valores (C-1; C-2; C-3 = 0.011 y C-1; C-2; C-3 = 0.05) respectivamente; dichos valores corresponden al 8% de la fuerza cortante de la estructura entre el peso de la estructura incluyendo todas las cargas muertas y vivas que contribuyen en ella; por lo que no es necesario considerar los efectos de segundo orden a lo que da lugar que la estructura no es sensible estos efectos, esto se debe al pre-dimensionado de la edificación pensado en la ubicación de la estructura propuesta en dicha zona, un pre-dimensionado equilibrado capaz de soportar los eventos causados por las acciones sísmicas y viento; pero cabe mencionar que esta estructura requiere de un sistema de rigidez lateral para dominar los desplazamientos y garantizar la estabilidad de la estructura.

(59)

Página 55 4.3.- Acciones Dominantes

Para determinar las acciones dominantes de diseño para el estado limite ultimo (Sismo –Viento), se analizan los elementos mecánicos críticos de cada combinación de acuerdo a la sección 3.3, considerando los criterios establecidos en los manuales y normas antes mencionadas según las solicitaciones del edificio planteado.

En las Figuras 4.11 a la 4.13 se muestra que los elementos mecánicos con mayor magnitud y que por consecuencia dominan el diseño de la estructura para los estados limite ultimo los cuales corresponden a las combinaciones relativas (Comb-5, Comb-6) para todos los casos, las combinaciones que incluyen las acciones del viento son superiores al 70 % y 55% de las combinaciones con acciones estáticas y acciones sísmicas.

0 50 100 150 200 250 300 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 Ca rg a Ax ial (P) -kN

Longitud del Elemento (L) - m

ELU(C-1) ELU(C-2) ELU(C-3)

0 5 10 15 20 25 30 35 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 Cortante (V ) -kN

Longitud del Elemento (L) - m

ELU(C-1) ELU(C-2) ELU(C-3)

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 Momento (M ) -kN -m

Longitud del Elemento (L) - m

ELU(C-1) ELU(C-2) ELU(C-3)

Figura 4-11 Comportamiento en Columnas Principales Nota: ELU (Estado Limite Ultimo)

(60)

Página 56

Figura 4-12 Comportamiento en Vigas Principales

Figura 4-13 Comportamiento en Vigas Secundarias

Lo anterior es consistente con los antecedentes del puerto de Veracruz que como se mencionó anteriormente en la sección 1 está localizado en una zona con intensidad sísmica moderada, por lo que será necesario tomar precauciones en las estructuras para evitar un comportamiento catastrófico que pueda dañar la estructura debido a las cargas establecidas.

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 Cortante (V ) -kN

Longitud del Elemento (L) - m

ELU(C-1) ELU(C-2) ELU(C-3)

0 25 50 75 100 125 150 175 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 Momento (M ) -kN -m

Longitud del Elemento (L) - m

ELU(C-1) ELU(C-2) ELU(C-3)

-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 Cortante (V ) -kN

Longitud del Elemento (L) - m

ELU(C-1) ELU(C-2) ELU(C-3)

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 Momento (M ) -kN -m

Longitud del Elemento (L) - m

(61)

Página 57 5- Conclusiones

En este estudio se determinó que la estructura ante fuerzas sísmicas obtuvo desplazamientos laterales dentro de los límites permisibles establecidos por los códigos vigentes, ante la estructura sin contraventeos. Sin embargo, al revisar la estructura ante fuerzas por viento, se tuvo que proponer dos sistemas de contraventeo lateral para limitar sus desplazamientos laterales dentro de los límites permisibles.

Se exhibe que la estructura analizada presenta mayores solicitaciones por viento que por sismo. Esto se atribuye a que la estructura es de bajo peso, y en consecuencia de baja masa, por lo cual las fuerzas sísmicas son también limitadas. También contribuye que la zona de ubicación de la estructura, es más propensa a vientos de gran intensidad, por estar cerca de la costa, que sismos severos, al estar ubicado en la zona de sismos moderados a bajos. Por el contrario, en el caso de viento, la cual depende del área expuesta perpendicular a la dirección de ataque del viento, se tienen solicitaciones mayores. Además, se determinó que las distorsiones permisibles de entrepiso por viento son más estrictas que sus contrapartes por sismo. Esto puede deberse a que el sismo tiene una duración muy corta, mientras que las ráfagas de viento que causen las distorsiones máximas pueden tener una duración mayor. Se refleja que la estructura no es susceptible a los efectos de segundo orden; sin embargo es fundamentalmente considerarlos para su diseño.

Después de revisar los resultados determinados en este estudio, se puede concluir que la estructura analizada es viable para su construcción en el puerto de Veracruz. Sin embargo, se debe indicar que por la naturaleza de las fuerzas por viento estas requieren de un sistema adicional de rigidez lateral para controlar los desplazamientos y asegurar la estabilidad lateral de la estructura frente a las acciones de servicio de viento.

Se recomienda realizar este tipo de estudio en zonas con mayores intensidades sísmicas, así como establecer un procedimiento de diseño racional basado en el código AISI pero que considere las combinaciones de carga establecidas en los códigos de diseño de México.

Figure

Updating...

References

Related subjects :