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Alternativa de Diseño Estructural, Programación, Presupuesto y Plan de Manejo Ambiental del Conjunto Residencial Torre Espiga
V. Bautista Mondragóna, J.P. Mora Ortegaa, A.J. Ortiz Martíneza, A. Valencia Manzanoa
aFacultad de Ingeniería, Pontificia Universidad Javeriana, Cali, Colombia
Resumen
El Capstone Project “Conjunto Residencial Torre Espiga” es un proyecto que abarca el diseño estructural, cálculo estructural y análisis geotécnico de la torre de apartamentos del Agregado Residencial denominado Torre Espiga y la programación, presupuesto y manejo ambiental de la obra que implica la construcción del Conjunto en su totalidad (4 torres y zonas comunes). Para efectos de lograr un análisis global de las variables que influyen en la planeación y diseño de una obra civil se realizó en primer lugar el diseño y cálculo estructural del mismo basado en un diseño arquitectónico inicial e informe geotécnico, posteriormente se realizó un cálculo presupuestal y una programación de las actividades que la obra civil implica y como desenlace se elaboró un Plan de Manejo Ambiental reconociendo los impactos sociales y ambientales que la construcción de este proyecto genera sobre su entorno y la comunidad que habita en la zona influenciada por el proyecto.
1. Introducción
El desarrollo profesional de un Ingeniero Civil se ve influenciado por múltip les factores de su entorno que lo obligan a pensar críticamente, resolver problemas complejos, ejecutar proyectos, diseñar alternativas y tomar decisiones en torno a su conocimiento de los ámbitos que el ejercicio de esta profesión implica. Por lo que ejecutar proyectos integrales son experiencias que permiten potenciar y desplegar competencias relacionadas con la planificación, comunicación oral, trabajo en equipo, trabajo interdiscipli nar, investigación, creación, innovac ió n, diseño y sobretodo capacidad de reconocer y combinar todos los elementos que componen un proyecto civil.
En la mayoría de proyectos lo que se realiza, sin ser conscientes en ocasiones de esto, es una intervención social y ambiental, ya que se pretende transfor mar
o modificar un contexto mediante una obra civil en pro del beneficio de una comunidad, generando impactos que desde la etapa de planeación deben ser tenido en cuenta para su mitigación y control en caso de ser negativos.
El Capstone Project “Conjunto Residencial Torre Espiga” permite observar la implementación de enfoques de la Ingeniería Civil tales como: Diseño y Cálculo Estructural, Geotecnia, Administración de Obras (Programación y Presupuesto), Manejo Ambiental y Gestión Social.
2. Fundamentación Teórica y Resultados
El proyecto, como se mencionó anteriormente abarca 4 ejes fundamentales, los cuales se explicarán a continuación dando a conocer su
2 fundamentación teórica y los resultados
obtenidos.
2.1 Geotecnia
Debido a la amplitud de este proyecto, para realizar el análisis geotécnico del mismo, se toma como base la informac ió n presentada por el proyecto de Microzonificación sísmica de Cali, Convenio Ingeominas-Dagma, en dónde se selecciona un apique cercano al perímetro de construcción y del cual se obtienes datos referentes a los resultados de ensayos directos al suelo de los cuales se puede relacionar directamente el comportamiento que tendrá la cimentac ió n profunda (pilotes) propuesta para el edificio, la cual se escoge puesto que se concluye en primera instancia que los estratos más superficiales corresponden a características de suelos blandos, en los cuales las resistencias admisibles son pequeñas según el ensayo de piezocono CPTU, por tanto, es necesario plantear como alternativa más viable la cimentación profunda, pues a medida que se aumenta la profundidad las características geo-mecánicas del suelo mejoran.
2.2 Diseño y Cálculo Estructural
El diseño de la Unidad Residencial torre espiga tiene un importante anális is estructural, puesto que es una edificac ió n de gran altura y tamaño en planta, además se encuentra localizada en la ciudad de Cali, que se clasifica dentro de la Normativa Colombiana de Sismo Resistencia NSR-10 como una zona de amenaza sísmica alta. Esta última condición implica que el anális is estructural no puede estar ligado solo a cargas estáticas relacionadas con las
cargas gravitacionales, sino que deben involucrarse en la evaluación y modelación estructural los efectos que introducen las fuerzas dinámicas de sismo.
El sistema estructural usado para resistir las solicitaciones de cargas estáticas y dinámicas es un sistema combinado, en el cual los pórticos resistentes a momento deben resistir las cargas verticales para que la losa junto con sus vigas, viguetas y riostras cumplan con condiciones de servicio, como lo son los desplazamie ntos instantáneos y a largo plazo por la relajación del concreto debido al flujo plástico en su zona de compresión; por otra parte, las pantallas o muros de concreto reforzado que además de resistir cargas verticales deben aportar rigidez a la estructura para cumplir con términos de deriva y evitar efectos P-Delta de segundo orden al entrar en el rango inelástico la estructura.
Figura 1. Modelo estructural.
Para cada elemento estructural se realizó un análisis a partir de las recomendacio nes del ACI 318-14, cuyos avances en cuanto a investigación del comportamie nto estático y dinámico es mayor al encontrado en el reglamento colombiano.
A continuación, se enuncian los criterios de diseño más relevantes para cada elemento en particular, los cuales se verifican y calculan a partir de una hoja en Excel que tienen en consideración todas
3 las solicitaciones que resultan de las
combinaciones de carga:
Columnas
Las columnas deben ser capaces de ofrecer a los nudos la rigidez y la ductilidad necesaria para un buen comportamiento en términos de desempeño sísmico.
El diseño garantizará que la capacidad de momento de las columnas sea mayor que el de las vigas en una proporción de 1.2 como lo exige el código ACI 318-14.
Se suministrará acero para cargas verticales y de sismo; y no se excederá el límite máximo que es el 6% ni se estará por debajo del límite mínimo del 1%.
Se verifican derivas y se garantiza que las inercias de las columnas en conjunto con los muros proporcionan la rigidez necesaria para que el pórtico no tenga desplazamientos excesivos.
Las columnas se despiezan con el diámetro de la barra comercial más grande, con el fin de evitar confinar demasiado la sección y ahorrar un poco en estribos suplementarios del acero transversal.
Se respetó la zona confinada y todos los requerimientos que sugiere y exige el código ACI 318-14.
Los estribos de la zona confinada de la columna se diseñaron para resistir las cortantes inducidas por la plastificación de la sección en la columna.
La separación de los estribos suplementarios fue controlada por la sección, se procuró no usar separaciones mayores a 30 cm y se
reduce la separación cuando la carga axial es grande.
Muros
Se revisan los efectos de esbeltez, verificando si la sección tiene dimensiones y geometría apropiada.
De ser esbelta se deben mayorar los momentos actuantes con el fin de simular los efectos de pandeo por cargas excesivas de compresión, se calcula el P crítico y con base en él se calcula el coeficiente de amplificac ió n de momentos.
El refuerzo vertical y horizontal del muro no debe superar la cuantía máxima y en sitios donde sobrepase el 1% se confina, aún si esa cuantía no hace parte del elemento de borde.
Se realizó la revisión en cuanto a la necesidad de usar o no elementos de borde, concentrando la mayor parte de la cuantía en las zonas más cercanas al extremo, pues allí están las cargas axiales inducidas por el sismo.
Se revisa la cortante en el eje fuerte, garantizando que ésta no sobrepase la capacidad de cortante de la sección de concreto en términos geométricos, sin tener en consideración el acero. Es una verificación del espesor de la sección.
El acero horizontal se establece a partir de las cargas de diseño y de requerimientos geométricos y normativos
En el eje débil los muros se revisan como una estructura de concreto sin acero para efectos de cortante.
La flexo-compresión se realizó en ambos sentidos, revisando el eje fuerte y el eje débil de la sección, con el fin de que los muros sean capaces de resistir los desplazamientos inducidos
4 por la carga lateral aun si fuese en el
sentido del eje débil.
En el diseño de los muros las dos cortinas tienen el mismo acero con el fin de no concentrar las cargas a un solo lado de la estructura y obtener así un comportamiento óptimo ante cargas sísmicas.
Vigas
El análisis de las vigas se realizó bajo dos criterios, el primero es el de servicio y el segundo es el de esfuerzos cortantes que limitan el tamaño de la sección.
Las deflexiones estarán limitadas por la flexión y se garantizará que los esfuerzos cortantes y por tensión no sean mayores a los esfuerzos nominales resistentes de la viga.
Adicionalmente, el acero de refuerzo cumple con las secciones de ductilidad, dejando así que el acero de la zona de tensión fluya libremente y no sea necesario realizar reducciones de coeficiente de resistencia.
El despiece longitudinal de las vigas por cada tramo cumple los lineamientos que exige la norma respecto a la distribución del mismo Adicionalmente, el acero de la zona de compresión en el centro de la luz se calculó con las deformaciones a largo plazo, con el fin de evitar o disminuir lo que produce el flujo plástico del concreto.
La separación de estribos está controlada por la altura de la viga como lo exige la norma ACI 318-14 en sus requisitos de ductilidad para elementos diseñados en zona de amenaza sísmica alta.
El despiece del acero longitudinal se diseña de tal manera que sea capaz de resistir momentos positivos, momentos negativos y los esfuerzos generados por las combinaciones de carga que producen torsión.
No se traslapará en las zonas donde se espera que el acero se plastifique.
La verificación de los nudos se realiza a partir de la teoría de anclajes, principalmente se revisa el área efectiva para resistir cortante, la cual se mide conforme al confinamiento que proporcionan las vigas al nudo.
Adicionalmente, se verifica que el diámetro de las barras usadas para el despiece de las vigas sea tal que se pueda anclar eficazmente en la columna, pues debe tener una longitud mínima, dicho límite corresponde a 20 veces el diámetro más grande del acero longitudinal.
En el caso de la cimentación, la determinación de la opción más óptima en relación al diseño de pilotes se realiza a partir de una comparación económica, contrastando las resistencias obtenidas y la profundidad a la cual se alcanzan. Los resultados en todos los casos comprueban que, para las condiciones particulares del proyecto, es mejor que los pilotes trabajen por fuste o fricción, pues se alcanzan resistencias altas a menor profundidad en relación a las obtenidas por punta.
Figura 2. Comparación de las resistencias y profundidades en relación al modo de diseño de Pilotes.
5 2.3 Presupuesto y Programación
Para la programación y Presupuesto de Obra se usa como herramienta el software Microsoft Project, en el cual se elaboró un cronograma de actividades referentes a las actividades y cantidades de construcció n del Conjunto Residencial Torre Espiga.
Este programa involucra materia les, personal y costos. Paralelamente se realiza un análisis presupuestal del proyecto a partir de los anteriores factores y otros que se encuentran entre los costos directos e indirectos. Cabe anotar que esta parte del proyecto fue relevante, ya que a partir de esto se toman importantes decisiones en cuanto la ejecución de la obra civil, sus recursos y actividades.
2.4 Manejo Ambiental
Este componente del proyecto describe la forma en que se hará la gestión para el control de los impactos ambientales en la construcción del Conjunto Residenc ia l Torre Espiga, en el contexto de la legislación ambiental aplicable, siguie ndo todas las recomendaciones presentadas en el estudio de suelos, planimetría y memorias de cálculo del proyecto y tomando como gestor de calidad las directrices establecidas en la Norma ISO 1400:1:2004 Sistema de Gestión Ambiental.
Como metodología se realizó en primer lugar un reconocimiento de los recursos y aspectos ambientales de la zona donde se construirá el proyecto, para que posteriormente, considerando los requisitos legales aplicables a la construcción, se desarrolle el análisis de línea base del proyecto que incluye como principal elemento la Matriz de Impactos
Ambientales, a partir de la cual se deduce que las actividades del proyecto que generan en
mayor magnitud impactos perjudicia les son las relacionadas con: movimientos de tierra, cimentación y estructura, pinturas e instalaciones hidrosanitarias, que las que generan en mayor magnitud impactos beneficiosos son las relacionadas con:
carpintería de madera, arborización y administración y los impactos ambienta les perjudiciales que están más presentes en cada una de las actividades son los vertimientos, la demanda o consumo de agua, la emisión de gases, la generación de material particulado, el uso de sustancias químicas y el consumo de energía eléctrica.
3. Bibliografía
Ingeominas-Departamento Administrativo de Gestión del Medio Ambiente (DAGMA).
2005; [PDF]. [Citado en marzo 30, 2016]
Disponible en:
http://seisan.sgc.gov.co/RSNC/index.php/ame naza-sismica/microcali
Braja M. Das. Fundamentos de Ingeniería de Cimentaciones. En: Cimentaciones con pilotes. México D.F. Cencage Learning Editores, 2012.p. 535-636.
Reglamento Colombiano de Construcción Sismo-Resistente (NSR-10). Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible. 2010.
Títulos A, B y C.
American Concrete Institute. Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural (ACI 318S-14). Estados Unidos. American Concrete Institute, 2014.
ISO 2004. Sistemas de Gestión Ambiental.
Requisitos con Orientación para su uso. Suiza.
ISO 14001, 2004.