I
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
FACULTAD DE INGENÍERA CIVIL Y MECÁNICA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
TRABAJO ESTRUCTURADO DE INVESTIGACIÓN
DE MANERA INDEPENDIENTE PREVIO A LA
OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
Tema:
“
DISEÑO ESTRUCTURAL SISMO-RESISTENTE DE LOS EDIFICIOS DE DEPARTAMENTOS DE HORMIGÓN ARMADO “LIMBURGPLATZ" DE LA CIUDAD DE QUITO, PARA GARANTIZAR LA SEGURIDAD DE LOS OCUPANTES.”
Nombre del Autor: Estefany Lucia Ortiz Naveda
Nombre del Director: Ing. Santiago Medina
Ambato - Ecuador
II
APROBACIÓN DEL TUTOR
En mi calidad de Director de la presente Tesis de Grado previa a la obtención del Título de Ingeniero Civil, bajo el tema: “DISEÑO ESTRUCTURAL SISMO-RESISTENTE DE LOS EDIFICIOS DE DEPARTAMENTOS DE HORMIGÓN ARMADO “LIMBURG PLATZ" DE LA CIUDAD DE QUITO, PARA GARANTIZAR LA SEGURIDAD DE LOS OCUPANTES.”, ejecutado por la Srta. Estefany Lucía Ortiz Naveda, egresada de la Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica de la Universidad Técnica de Ambato, certifico que la presente tesis es un trabajo inédito, la misma que ha sido concluida en forma total, en apego al Plan de Tesis aprobado.
Ambato, Septiembre del 2012
……… Ing. Santiago Medina
III
AUTORÍA
El contenido del presente trabajo investigativo, cálculo y diseño, así como los criterios, opiniones y demás concepciones vertidas y expuestas en el mismo, son de absoluta autoría y exclusiva responsabilidad del autor.
Ambato, Septiembre del 2012
--- Egda. Lucía Ortiz Naveda
IV
DEDICATORIA
Este trabajo lo dedico a cada persona que puso su granito de arena para la realización del mismo, a todas las personas que siempre me apoyaron, estuvieron pendientes de mí.
A las personas que luchan cada día por salir adelante a pesar de los golpes de la vida, siempre brindan una sonrisa, disfrutando de cada paso en su vida.
A mis Padres, a mi gran Familia, a mis queridos amigos, por brindarme su apoyo incondicional y su cariño, su fe en MI.
V
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por haberme dado el privilegio de vivir y salir adelante.
A mis padres, mi gran ejemplo, Nelson e Irma, que siempre me han apoyado en todo momento, mis hermanos Gaby, René y José, de una u otra manera me ayudaron en toda mi vida, a mis grandes amores mis sobrinos, Martín, Junior y Dani, ellos son la fuerza que me mantiene cada día, con su cariño y ternura llenaron nuestras vidas.
A la Universidad Técnica de Ambato, a la Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica y cada uno de los Ingenieros que siempre me apoyaron en todo momento, en las aulas y fuera de ellas con sus palabras y sabios consejos.
Al Ing. Santiago Medina, profesional y profesor, quien me supo ayudar con paciencia en todo momento en cada capítulo de la elaboración de este proyecto de Investigación.
Al Ing. Wilson Medina, profesional destacado y un gran profesor, quien me guio y me brindó su ayuda en el proceso de la realización de este proyecto,
Al Arq. Ramiro Padilla, un gran profesional, por ayudarme con la facilitación de los planos, con sus consejos y ayuda incondicional en todo aspecto durante la elaboración del trabajo.
A toda mi gran Familia, mis abuelitas, mis tíos y mis grandes amigos, mis compañeros, que siempre me apoyaron en todo momento, en las buenas y en las malas, no me dejaron caer y estuvieron pendientes de mí en todo aspecto.
VI
Autor
A. PÁGINAS PRELIMINARES
ÍNDICE GENERAL DE CONTENIDOS
Pág.
PORTADA………..I APROBACIÓN DEL AUTOR………...II AUTORÍA……….III DEDICATORIA………..…..IV AGRADECIMIENTO………V ÍNDICE GENERAL DE CONTENIDOS………VI ÍNDICE DE CUADROS Y GRÁFICOS……….VII RESUMEN EJECUTIVO………...VIII B. TEXTO Pág. CAPITULO I Problema de Investigación 1.1 Tema de Investigación 2
1.2 Planteamiento del Problema
1.2.1 Contextualización 2
1.2.2 Análisis Crítico 5
1.2.3 Prognosis 6
1.2.4 Formulación del Problema 7
1.2.5 Interrogantes 7
1.2.6 Delimitación del Objeto de Investigación
1.2.6.1 Delimitación Temporal 7
1.2.6.2 Delimitación Espacial 8
1.2.6.3 Delimitación de Contenido 8
VII 1.4 Objetivos 1.4.1 General 9 1.4.2 Específicos 9 CAPITULO II Marco Teórico 2.1 Antecedentes Investigativos 11 2.2 Fundamentación Filosófica 11 2.3 Fundamentación Legal 12 2.4 Categorías Fundamentales 2.4.1 Supraordinación de Variables 12 2.4.2 Conceptos Básicos 13 2.4.2.1 Edificio 13 2.4.2.2 Construcción de Edificios 15 2.4.2.3 Clasificación de Edificaciones 15
2.4.2.4 Partes Constitutivas de un Edificio 16
2.4.2.5 Parámetros de Diseño 16 2.4.2.5.1 Elementos Estructurales 16 2.4.2.5.2 Elementos No Estructurales 17 2.4.2.5.3 Distribución y Concentración de Masas 17 2.4.2.5.4 Simetría 18 2.4.2.5.5 Altura 18 2.4.2.5.6 Rigidez 19
2.4.2.5.7 Calidad de los Materiales de Construcción 19
2.4.2.6 Requerimientos de Diseño Sismo Resistente 24
VIII 2.4.2.8 Desempeño Sísmico 27 2.4.2.9 Análisis Estático 27 2.4.2.10 ETABS 28 2.4.2.11 Métodos Numéricos 28 2.4.2.12 Diseño de Estructuras 28 2.5 Hipótesis 30
2.6 Señalamiento de Variables de la Hipótesis 2.6.1 Variable Independiente 30
2.6.2 Variable Dependiente 30
CAPITULO III Metodología 3.1 Enfoque 31
3.2 Modalidad Básica de Investigación 3.2.1 Modalidad 31
3.2.2 Nivel de Investigación 31
3.3 Población y Muestra 31
3.4 Operacionalización de Variables 32
3.5 Técnicas de Recolección de la Información 33
3.6 Plan de Procesamiento de la Información 34
3.7 Procesamiento y Análisis 34
CAPITULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS 4.1 Análisis de resultados 35
4.2 Interpretación de datos 40
IX CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1 Conclusiones 43 5.2Recomendaciones 44 CAPÍTULO VI PROPUESTA 6.1 Datos informativos 45 6.2 Antecedentes de la propuesta 46 6.3 Justificación 47 6.4 Objetivos 6.4.1 Objetivo general 48 6.4.2 Objetivos específicos 48 6.5 Análisis de factibilidad 48 6.6 Fundamentación 49 6.6.1 Especificaciones de Planos 49 6.6.2 Losas 49 6.6.2.1 Recubrimiento Mínimo 53 6.6.3 Análisis de Vigas 53
6.6.3.1 Diseño a Flexión en Hormigón Armado 54
6.6.3.2 Refuerzo mínimo en elementos a Flexión 56
6.6.4 Análisis de Columnas 56
6.6.4.1 Comportamiento 57
6.6.4.2 Diseño de una columna a Flexo -Compresión biaxial 58
6.6.4.3 Resistencia mínima a flexión en Columnas 59
X
6.6.4.5 Diseño de elementos sometidos a esfuerzo
de corte 61
6.6.4.6 Refuerzo Longitudinal 61
6.6.4.7 Refuerzo Transversal 61
6.6.5 Procedimiento de Cálculo de Fuerzas Sísmicas (Según CEC-2002) 64
6.6.5.1 Cortante Basal de Diseño (V) 64
6.6.5.2 Periodo de Vibración (T) 64
6.6.5.3 Coeficiente del Suelo (S) 65
6.6.5.4 Zonas Sísmicas y Factor de zona (Z) 66
6.6.5.5 Coeficiente de Tipo de Uso (I) 66
6.6.5.6 Coeficiente de Reducción de Respuesta Estructural (R) 66
6.6.5.7 Coeficiente de Configuración en Planta ( P) 67
6.6.5.8 Coeficiente de Configuración en Elevación ( E) 67
6.6.6 Ascensores 68
6.6.6.1 Determinación de la Carga Nominal 70
6.6.6.2 Determinación de la Carga Dinámica 70
6.6.6.3 Cargas sobre la Estructura Sustentable 71
6.6.6.4 Capacidad de Carga Viva 71
6.6.6.5 Peso de la Cabina 72
6.6.6.6 Cantidad de Cables 72
6.6.6.7 Peso de los Cables 73
6.6.6.8 Cálculo de Fuerzas Sísmicas 74
6.6.6.9 Tensiones 76
6.6.7 Muros de Corte 78
6.6.7.1 Tipos de Muros Estructurales 79
6.6.7.2 Muros Estructurales Esbeltos 81
6.6.7.3 Muros Estructurales Robustos 83
6.6.7.4 Refuerzos mínimos en Muros 84 6.6.7.5 Requisitos del Código ACI para
XI
Muros de Corte 86
6.6.7.6 Diseño del refuerzo por Cortante para Muros 89
6.6.8 Sistema de Placas Colaborantes 90
6.6.8.1 Descripción de las cargas 93
6.6.8.2 Instalación 93
6.6.9 Modelo Estructural de Diseño 94
6.6.9.1 Cargas 94
6.6.9.2 Códigos a Utilizar 96
6.6.9.3 Espesor Equivalente para Losa 98
6.6.10 Juntas de Construcción 100
6.6.11 Diseño de Cimentaciones de Hormigón Armado 101
6.6.11.1 El suelo de Cimentación 101
6.6.11.2 Tipos de Cimentaciones 101
6.6.11.3 Criterios para el Diseño de Plintos 104
6.7 Metodología. Modelo operativo 108
6.7.1 Predimensionamiento de Elementos de la Estructura 108
6.7.1.1Predimensionamiento de Losas 108
6.7.1.1.1 Carga Muerta 109
6.7.1.1.2 Carga Viva 110
6.7.1.1.3 Reducción de Cargas Vivas 110
6.7.1.1.4 Chequeo de la Flecha Máxima en Losa 111
6.7.1.1.5 Cálculo de Cargas de Paredes Tipo 112
6.7.1.1.6 Cálculo de Tableros 117
6.7.1.1.7 Chequeo a Flexión 120
6.7.1.1.8 Cálculo de la Armadura 122
6.7.1.1.9 Área de Acero del Tablero Edificio A 123
Área de Acero del Tablero Edificio B 124
Área de Acero del Tablero Edificio C 125
Área de Acero del Tablero Edificio D 126
6.7.1.2 Cálculo de Volados 127
6.7.1.2.1 Chequeo a Flexión 128
XII
6.7.1.2.3 Cálculo de la Flecha máxima en Volado
De Losa Tipo 128
6.7.1.3 Cálculo de Losas de Edificio A 130
6.7.1.4 Cálculo de Losas de Edificio B 134
6.7.1.5 Cálculo de Losas de Edificio C 138
6.7.1.6 Cálculo de Losas de Edificio D 141
6.7.1.7 Preparación de Pesos por Planta 144
6.7.1.7.1 Edificio de Departamento A 144
6.7.1.7.2 Edificio de Departamento B 151
6.7.1.7.3 Edificio de Departamento C 157
6.7.1.7.4 Edificio de Departamento D 162
6.7.1.8 Cálculo de Fuerzas Sísmicas (Según CEC-2002) 6.7.1.8.1 Edificio A con Tapagrada 167
6.7.1.8.2 Edificio A sin Tapagrada 170
6.7.1.8.3 Edificio B con Tapagrada 172
6.7.1.8.4 Edificio B sin Tapagrada 174
6.7.1.8.5 Edificio C y D sin Tapagrada 176
6.7.1.9 Método del Portal 6.7.1.9.1 Edificio de Departamentos A (Sentido X) 178
6.7.1.9.2 Edificio de Departamentos A (Sentido Y) 179
6.7.1.9.3 Edificio de Departamentos B (Sentido X) 180
6.7.1.9.4 Edificio de Departamentos B (Sentido Y) 181
6.7.1.9.5 Edificio de Departamentos C (Sentido X) 182
6.7.1.9.6 Edificio de Departamentos C (Sentido Y) 183
6.7.1.9.7 Edificio de Departamentos D (Sentido X) 184
6.7.1.9.8 Edificio de Departamentos D (Sentido Y) 185
6.7.1.10 Área Cooperantes 6.7.1.10.1 Área Cooperante del Edificio A 186
6.7.1.10.2 Área Cooperante del Edificio B 187
6.7.1.10.2 Área Cooperante del Edificio C 188
6.7.1.10.2 Área Cooperante del Edificio D 189
XIII
6.7.1.11.1 Cálculo de Vigas del Edificio A Sentido X 195
6.7.1.11.2 Cálculo de Vigas del Edificio A Sentido Y 198
6.7.1.11.3 Cálculo de Vigas del Edificio B Sentido X 202
6.7.1.11.4 Cálculo de Vigas del Edificio B Sentido Y 204
6.7.1.11.5 Cálculo de Vigas del Edificio C Sentido X 207
6.7.1.11.6 Cálculo de Vigas del Edificio C Sentido Y 209
6.7.1.11.7 Cálculo de Vigas del Edificio D Sentido X 212
6.7.1.11.8 Cálculo de Vigas del Edificio D Sentido Y 214
6.7.1.12 Predimensionamiento de Columnas 216
6.7.1.13 Cálculo de Ascensores 226
6.7.1.14 Diseño de los Muros de Corte 228
6.7.1.14.1 Tabla de Cálculo de Área de Acero 232
6.7.1.14.2 Chequeo de Cuantía “p” de Refuerzo 233
6.7.1.14.3 Chequeo a Corte 233
6.7.1.15 Paso Peatonal entre los Edificios de Departamentos 235
6.7.1.16 Proceso de Análisis y Diseño de un Edificio En ETABS 239
6.7.1.16.1 Datos de Entrada 239
6.7.1.16.2 Pasos de Modelación 241
6.7.1.17 Diseño de Vigas 6.7.1.17.1 Diseño de Vigas del Edificio A 264
6.7.1.17.2 Diseño de Vigas del Edificio B 266
6.7.1.17.3 Diseño de Vigas del Edificio C 268
6.7.1.17.4 Diseño de Vigas del Edificio D 270
6.7.1.18 Diseño de Columnas 272
6.7.1.19 Diseño de Gradas del Edificio A 275
6.7.1.19.1 Diseño de Viga de descanso 281
6.7.1.20 Diseño de Gradas del Edificio B 284
6.7.1.20.1 Diseño de Viga de descanso 290
6.7.1.21 Diseño de Cimentaciones 293
XIV
6.7.1.21.1.1 Cálculo de Cimentaciones con
Trabe de Liga del Edificio A 300 6.7.1.21.2 Cálculo de Cimentaciones del Edificio B 308 6.7.1.21.3 Cálculo de Cimentaciones del Edificio C 311 6.7.1.21.4 Cálculo de Cimentaciones del Edificio D 314
6.7.1.22 Diseño de Junta 317 6.8 Administración 319 6.9 Previsión de la evaluación 319 C. MATERIALES DE REFERENCIA 1.1 BIBLIOGRAFÍA 319 1.2 ANEXOS 321
XV
ÍNDICE DE GRÁFICOS
CAPÍTULO II Marco Teórico
Figura 1.- Resistencia y Deformación del Hormigón
Armado a Compresión 21
Figura 2.- Resistencia y Deformación del Acero
a Tracción 23
CAPÍTULO IV
Análisis e Interpretación de Resultados
Figura 3.- Distribución porcentual de la población en la
Provincia de Pichincha por Género 37 Figura 4.- Distribución porcentual de permisos
de construcción en el País, según su
Origen de Financiamiento 37 Figura 5.- Distribución porcentual de la Superficie a
Construirse con Recursos Propios, a nivel
Provincial frente a la Región 38 Figura 6.- Distribución porcentual del Valor de
Financiamiento en el País por Recursos
Propios y Créditos 38
CAPÍTULO VI Propuesta
Figura 7.- Ubicación del Proyecto 45
XVI
Figura 9.- Distribución Rectangular equivalente de
Esfuerzos en el Concreto 55
Figura 10.- Carga Crítica Pcr 57
Figura 11.- Excentricidad de la Columna 58
Figura 12.- Ejemplos de Estribos cerrados de Confinamiento Múltiples 63
Figura 13.- Esquema de un ascensor Panorámico 69
Figura 14.- Fuerzas sísmicas que actúan en las Paredes Del Foso 75
Figura 15.- Cables de Acero 76
Figura 16.- Deformaciones de un Pórtico 78
Figura 17.- Formas de los Muros de Corte 79
Figura 18.- Dimensiones del Muro de Corte 80
Figura 19.- Muro de Corte 86
Figura 20.- Propiedades de la Placa Colaborante 91
Figura 21.- Sistema Mixto 91
Figura 22.- Detalles Constructivos y Encofrado Lateral 92
Figura 23.- Instalación en Construcción Mixta 93
Figura 24.- Esquema de Distancias para Inercias 98
Figura 25.- Ejemplo de Pilotes Aislados 102
Figura 26.- Zapatas Corridas 102
Figura 27.- Zapatas Combinadas 103
Figura 28.- Vigas de Cimentación 103
Figura 29.- Losas de Cimentación 104
Figura 30.- Pilotes 104
Figura 31.- Diseño de Plintos 105
Figura 32.- Sección Crítica de Cortante 105
Figura 33.- Sección Crítica al Punzonamiento 106
Figura 34.- Sección Crítica a la Flexión (hormigón armado) 106
Figura 35.- Sección Crítica a la Flexión (Muro de mampostería) 107
XVII
Figura 37.- Faja Unitaria del Muro 229
Figura 38.- Diagrama de Carga y Momento 229
Figura 39.- Esquema de Paso Peatonal 235
Figura 40. Esquema de Correas de Acero 241
Figura 41. Pantalla principal de ETABS 242
Figura 42. Cambio de Unidades 242
Figura 43. Ventana para crear o abrir un modelo 242
Figura 44. Pantalla para definir la grilla 243
Figura 45. Pantalla para definir dimensiones de Grilla 243
Figura 46. Pantalla para definir la altura 244
Figura 47. Pantalla para definir el material 245
Figura 48. Pantalla para definir la sección de Columna 245
Figura 49. Pantalla para definir dimensiones e inercia Agrietada de Columnas 246
Figura 50. Pantalla para definir las propiedades de refuerzo de Columnas 246
Figura 51. Pantalla para definir dimensiones e inercia Agrietada de Vigas 247
Figura 52. Pantalla para definir las propiedades de refuerzo de Vigas 247
Figura 53. Pantalla para definir el tipo de Losa, dimensiones Y propiedades 248
Figura 54. Pantalla para definir el tipo de Muros, dimensiones Y propiedades 248
Figura 55. Dibujo de Columnas, Vigas y Losas 249
Figura 56. Estados de Carga 250
Figura 57. Definición de Cargas Sísmicas 251
Figura 58. Definición de Diagrama de Piso 251
Figura 59. Definir tipos de apoyo 252
Figura 60. Colocación de Cargas 252
Figura 61. Definición de combinación de cargas 253
XVIII
Figura 63. Proceso de análisis del modelo 254
Figura 64. Modelación del Edificio C 254
Figura 65. Datos de entrada y salida de la modelación 255
Figura 66. Diseño del Edificio C 256
Figura 67. Datos de diseño del Edificio C 257
Figura 68. Datos necesarios para obtener la deriva Global del edificio 258
Figura 69. Edificio de tres pisos con desplazamientos De piso ante un sismo 259
Figura 70. Muestra de Derivas 259
Figura 71. Datos de Deriva del Edificio A (Sentido X) 260
Figura 72. Datos de Deriva del Edificio A (Sentido Y) 260
Figura 73. Datos de Deriva del Edificio B (Sentido X) 261
Figura 74. Datos de Deriva del Edificio B (Sentido Y) 261
Figura 75. Datos de Deriva del Edificio C (Sentido X) 262
Figura 76. Datos de Deriva del Edificio C (Sentido Y) 252
Figura 77. Datos de Deriva del Edificio D (Sentido X) 263
XIX
ÍNDICE DE TABLAS
CAPITULO II Marco Teórico
Tabla 1.- Coeficiente de suelo S y de Coeficiente Cm 24
CAPÍTULO IV Análisis e Interpretación de Resultados Tabla 2.- Cuadro de Áreas 39
CAPÍTULO VI Propuesta Tabla 3.- Dimensiones de Bloques 50
Tabla 4.- Máximas Deflexiones permisibles Calculadas en Losas 50
Tabla 5.- Altura Mínima de Vigas o Losas en una Dirección Cuando no se calculan Deflexiones 52
Tabla 6.- Coeficiente del Suelo (S) y Coeficiente (Cm) 65
Tabla 7.- Poblaciones ecuatorianas y valor de factor (Z) 66
Tabla 8.- Tipo de uso, destino e importancia de estructura 66
Tabla 9.- Coeficiente de Reducción de Respuesta (R) 66
Tabla 10.- Coeficiente de Configuración en Planta (ϕp) 67
Tabla 11.- Coeficiente de Configuración en Elevación (ϕe) 67
Tabla 12.- Análisis de la Energía Dinámica de los Ascensores de Tipo Normal 71
Tabla 13.- Refuerzos Mínimos entre Juntas 85
Tabla 14.- Datos de Catálogo de Placa Colaborante 236 Tabla 15.- Tabla de Datos de Correas de acuerdo a la
XX
Distancia entre apoyos 238
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
TEMA: “DISEÑO ESTRUCTURAL SISMO-RESISTENTE DE LOS EDIFICIOS DE DEPARTAMENTOS DE HORMIGÓN ARMADO “LIMBURG PLATZ" DE LA CIUDAD DE QUITO, PARA GARANTIZAR LA SEGURIDAD DE LOS OCUPANTES.”
AUTOR: Egda. Lucía Ortiz N. TUTOR DE TESIS: Ing. Santiago Medina FECHA: Septiembre del 2012
RESUMEN EJECUTIVO
El presente proyecto tiene por finalidad realizar el Diseño Estructural Sismo-resistente de los Edificios de Departamentos de Hormigón Armado “LIMBURG PLATZ" de la ciudad de Quito, para garantizar la seguridad de los ocupantes; iniciando con el estudio de los planos arquitectónicos, el estudio de suelos y las normas de construcción, datos de población y de construcción en la ciudad.
Siguiendo con el diseño, realizamos un predimensionamiento de las losas, vigas y columnas, basados en las normas del Código ACI318-05 y del CEC 2002, para tener una idea de las dimensiones con las que se construirán los edificios de departamentos. Preparamos los datos para ingresar en el programa ETABS, ya que este es una herramienta fundamental para el desarrollo del proyecto, en el realizamos la modelación de las estructuras, una vez realizado el análisis estático, el programa nos da los datos que servirán para confrontarlos con los datos
XXI
obtenidos en el predimensionamiento de las vigas y columnas resistentes de los edificios.
El objetivo de esta comparación es comprobar que los momentos solicitantes sean menores o iguales a los momentos resistentes calculados.
Luego, con los datos finales, realizamos los planos correspondientes para cada edificio de departamentos.
Este trabajo consta de 6 capítulos, distribuidos de la siguiente manera:
El Capítulo I, el “Problema” plantea el problema de la falta medidas en la realización de estudios previos para la construcción de edificios, la falta de usos de las normas de construcción establecidas en el país, los tipos de problemas que se pueden presentar en el evento de un sismo y las posibles soluciones para mejorar el nivel de construcción en el Ecuador.
El Capítulo II, trata sobre el “Marco Teórico” nos permite establecer antecedentes investigativos, además de definir los principales términos relacionados con los parámetros de construcción en el país, incluyendo normas, características y definiciones necesarias para identificar una posible hipótesis.
El Capítulo III, indica la “Metodología” utilizada en la investigación, establece el tamaño de la muestra a partir de la población, y operacionalización de las variables en estudio.
El Capítulo IV, incluye el “Análisis e Interpretación de Resultados” de los datos obtenidos en las Encuestas realizadas de Población y Vivienda del INEC, con ello realizamos la verificación la hipótesis propuesta.
El Capítulo V contiene las “Conclusiones y Recomendaciones” de la investigación obtenidos a partir del análisis de los resultados.
XXII
El Capítulo VI presenta la propuesta motivo de la investigación, establece los parámetros de diseño estructural sismo-resistente de los Edificios de Departamentos “LIMBURG PLATZ", basada en la investigación bibliográfica de normas del Código ACI 318-05 y el Código Ecuatoriano de la Construcción, con la realización del estudio previo y los planos estructurales.
2
CAPITULO I
EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
1.1 TEMA DE INVESTIGACIÓN
Estudio Estructural de los Edificios de Departamentos “LIMBURG PLATZ" de la ciudad de Quito para garantizar la seguridad de sus ocupantes.
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.2.1 CONTEXTUALIZACIÓN
En el comienzo de la historia de la humanidad, los hechos arquitectónicos sólo se conocían después de su construcción. A partir del renacimiento surge, con la perspectiva, la posibilidad de representar los edificios y apreciar sus formas y proporciones antes de su construcción y como método de verificación. Luego, aparecen otras formas de representación como son los planos en la actualidad.
Las nuevas ideas arquitectónicas en estos días están proyectadas a crear estructuras modernas e innovadoras, las cuales deben estar ligadas a un diseño estructural de alta calidad y eficacia que ofrezca soluciones concretas.
Un edificio está definido como una estructura que sirve fundamentalmente para dar cabida al ser humano, permitiéndole que realice todas las actividades del diario vivir en un ambiente óptimo, lleno de comodidad y confort, mejorando el rendimiento de sus labores y promoviendo el desarrollo de las ciudades.
El cálculo estructural es de vital importancia para el buen funcionamiento del mismo, ya que de esto dependerá la vida de quienes lo habitan.
3
En la actualidad, el mundo ha vivido momentos difíciles a causa de los sismos ocurridos en Haití, Chile y el más reciente ocurrido en Japón, los cuales nos han hecho analizar sobre la inseguridad existente en edificaciones de todo uso como: edificios educativos, departamentales, históricos, etc.
El Ecuador es un claro ejemplo de un país expuesto a la ocurrencia de sismos por su ubicación en el cinturón de Fuego, los cuales siempre han afectado las edificaciones,por lo que un proyecto de este tipo presenta un ejemplo del tipo de cálculo que debemos realizar para garantizar que la edificación resista ante un sismo, garantizar el comportamiento del mismo y proporcione seguridad a sus ocupantes.
La vulnerabilidadde una edificación frente a un terremoto, la cual es el comportamiento deficiente de una estructura frente a un sismo incluso moderado, debido a un déficit de resistencia o a una ductilidad escasa. Las normativas sismo-resistentes, en general, admiten que los edificios sean diseñados para resistir sismos fuertes sin colapso, incluso admitiendo daños estructurales severos, en el caso de sismos moderados no se permiten daños en elementos estructurales, pero sí algún daño en elementos no estructurales como tabiques, particiones, etc., y que, en general, sean fácilmente reparables, en el caso de sismos leves, la estructura no debe sufrir ningún daño.
Las nuevas tendencias en el diseño sísmico de edificios, parecen estar orientadas a la estimación del comportamiento estructural a diferentes niveles de la intensidad del movimiento del terreno ocasionado por sismos. Para ello, el análisis estructural sismo-resistente ha sido identificado como un parámetro para medir la confiabilidad de ocupación de la estructura.
La evolución de los métodos de análisis ha sido particularmente notoria en las últimas décadas, con el uso cada vez más frecuente de las computadoras digitales. Actualmente estas herramientas se consideran indispensables para un análisis sísmico apropiado, no tanto por la posibilidad de efectuar los cómputos más
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rápidamente cuanto porque, al poder considerar mejores modelos, se logran estructuras más eficientes y confiables. Sin embargo, debe reconocerse que por las incertidumbres en las acciones sísmicas e incluso en las propiedades de los materiales, así como por las numerosas hipótesis simplificadoras previas al análisis, los resultados del mejor programa de cómputo es sólo una descripción aproximada de la realidad.
Generalmente existen muchas consideraciones asociadas que pueden determinar que una Estructura sismo- resistente cumpla con estas condiciones de seguridad, siendo agrupadas en el tipo de suelo, la simetría del diseño, en que los pisos superiores sean lo más livianos posible, la necesidad de una adecuada selección en cantidad y calidad de los materiales especialmente del acero, el cual debe ser dúctil, también es necesario que la estructura se deforme limitadamente, así como una buena práctica de construcción e inspección estructural rigurosa.
Debido a que las ondas sísmicas se trasmiten básicamente de tres formas horizontal, vertical y mixta, se requiere que el diseño de las estructuras sean lo más simétricas posibles y que el efecto de los esfuerzos cortantes y de tracción asociados a estos movimientos sean adecuadamente “asimilados” por la misma. Cuando el país empezó a utilizar hormigón como material fundamental para las construcciones, existieron un sinnúmero de problemas que en la actualidad han sido superados. Si bien es cierto que existe una buena experiencia en el medio con respecto al hormigón armado, se continúan presentando problemas al momento de ensayar los materiales que forman parte del hormigón.
Los edificios de departamentos de Hormigón Armado “LIMBURG PLATZ" ubicados en la ciudad de Quito, como muchas otras edificaciones en diferentes ciudades del país requieren no solo un estricto control de calidad en sus materiales, sino también en sus sistemas constructivos para que lo calculado en el diseño se acerque lo más posible a la realidad.
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1.2.2 ANÁLISIS CRÍTICO
Los acontecimientos sísmicos recientes, como los sismos de Haití, Chile y Japón que causaron daños importantes en estructuras de concreto reforzado y que han llevado al colapso de estructuras o daños en elementos estructurales y no estructurales impidiendo el uso de la edificación en un tiempo considerable han hecho eco en el mundo entero sobre la inseguridad existente en edificaciones. El crecimiento de la población y la urbanización hace que el país se caracterice en la actualidad por su naturaleza urbana la tasa anual de crecimiento urbano es de 3.67%, la población urbana es de alrededor del 68% de la población total, hechos que influyen indiscutiblemente en el desarrollo de vivienda y por tanto en el desarrollo del país si se considera que el sector de la construcción es un sector líder en el desarrollo económico.
En la ciudad de Quito, a pesar de la modernidad de las edificaciones, muchas veces su construcción se ha basado en la experiencia del ingeniero, por lo que la falta de conciencia sobre los problemas que pueden acarrear el no realizar un estudio profundo sobre una edificación que se vaya a construir pueden producirse fallas o el colapso al momento de producirse un sismo de mediana intensidad. El mal desempeño sísmico de estructuras sismo resistente modernas han puesto en evidencia que la confiabilidad del diseño sísmico no solo era menor que la que se esperaba, sino que presenta grandes inconsistencias entre estructuras que tienen un mismo sistema estructural, lo cual ha enfatizado la necesidad de replantear las metodologías actuales de diseño sísmico para salvaguardar la vida de los ocupantes cuando ocurra algún sismo.
De acuerdo con los resultados de la evaluación estructural, se debe realizar un cálculo objetivo que cumplan las normas establecidas de construcción aplicada a cualquier tipo estructura, que cumpla un buen funcionamiento dentro del diseño sismo-resistente para salvaguardar las vidas humanas y que resulte conveniente a la economía actual que vive el país.
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1.2.3 PROGNOSIS
El impulso necesario que se ha generado para la incorporación de nuevas técnicas de construcción procede básicamente de dos fuentes diferentes: el análisis de las construcciones tradicionales y las nuevas técnicas; sintetizando ambas, el uso consecuente de tecnologías apropiadas, incorporando la lógica ingenieril, se ofrece una amplia gama de posibilidades de construcción con procesos rápidos y de alta calidad para ser aplicados en el medio.
Las nuevas tendencias de la Ingeniería Sísmica, reconocen la necesidad de evaluar la vulnerabilidad de las estructuras en los entornos urbanos, ya que es allí en donde existe mayor concentración de la población, infraestructuras y servicios. Así pues, el estudio del comportamiento de los edificios ante la eventual ocurrencia de un sismo intenso, es el responsable de evitar verdaderas catástrofes, como las que hasta la fecha continúan dejando grandes pérdidas de vidas humanas y económicas.
El desarrollo y aplicación de diversos métodos o técnicas avanzadas del análisis estructural para el desempeño, vulnerabilidad y fragilidad de una estructura, ha permitido establecer de forma cuantitativa, la importancia que, para la minimización de un riesgo sísmico, tiene el diseño y construcción sismo resistente, quedando aún varias dudas e interrogantes respecto del análisis estructural, mismas que en el futuro seguirán sin ser investigadas si no se les da la importancia necesaria, pudiendo conducir en muchos casos a decisiones y soluciones erradas en la evaluación y diseño de una estructura, con consecuencias para la seguridad estructural y peor aún, para la vida humana.
Si no se realiza un cálculo y diseño estructural sismo-resistente a las estructuras, al no aplicar los códigos, normas y procedimientos establecidos para este tipo de edificios de departamentos, llevarían en lo posterior a cometer errores en los cálculos que conducirían a poner en riesgo vidas humanas además de los costos en la reparación y reforzamiento de las estructuras.
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1.2.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Qué tipo de Diseño Estructural Sismo-Resistente será necesario realizar en los Edificios de Departamentos de Hormigón Armado “LIMBURG PLATZ" de la ciudad de Quito para garantizar la seguridad de sus habitantes?
1.2.5 INTERROGANTES
¿Qué tipo de cálculo se va a emplear?
¿Cuáles serán los procesos lógicos, ordenados y secuenciales de cálculo y diseño estructural sismo-resistente?
¿Qué es análisis estructural sismo resistente?
¿Cuál es el procedimiento correcto para realizar un análisis estructural sismo-resistente?
¿Cuál es la herramienta computacional adecuada para la aplicación del análisis estructural sismo-resistente?
¿Cómo evaluar e interpretar los reportes computarizados para un diseño óptimo y seguro?
1.2.6 DELIMITACIÓN DEL OBJETO DE INVESTIGACIÓN
1.2.6.1 DELIMITACIÓN TEMPORAL
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1.2.6.2 DELIMITACIÓN ESPACIAL
La investigación constará de estudios de campo, los cuales se realizarán en el Barrio El Dorado, de la ciudad de Quito provincia de Pichincha.
Para el desarrollo de las actividades complementarias de la investigación se considera el uso de la biblioteca de la Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica de la Universidad Técnica de Ambato.
1.2.6.3 DELIMITACIÓN DE CONTENIDO.
Problema: Inseguridad de los ocupantes de los Edificios de Departamentos de
Hormigón Armado “LIMBURG PLATZ" de la ciudad de Quito.
Tema: Estudio Estructural de los Edificios de Departamentos “LIMBURG
PLATZ" de la ciudad de Quito para garantizar la seguridad de sus ocupantes.
Aspecto: Estructuras, Hormigón, Computación Aplicada, Obras Civiles,
Proyectos Estructurales, Proyecto de Tesis.
Área: Estructuras.
Campo: Ingeniería Civil.
1.3 JUSTIFICACIÓN
Según el Instituto Geofísico que cuenta con un mapa de peligro sísmico, la ciudad de Quito se encuentra ubicada en la Zona 4, que es la zona de mayor riesgo. Por ello se tiene que tomar muy en cuenta sobre los diseños de estructuras que van a tener ocupación de vidas humanas, garantizando su comportamiento y proporcionando seguridad.
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Las experiencias de las edificaciones dañadas que no solamente son producto de una mala ejecución, sino que denotan ligereza en los cálculos y diseños estructurales, producto de una práctica equivocada, que han conducido en unos casos a subdimensionamientos y en otros a sobredimensionamientos, hace más que necesario contar con un cálculo y diseño estructural sismo-resistente que conduzca a diseños satisfactorios y precisos a través de procesos lógicos que tomen en cuenta las últimas innovaciones tanto en materia técnica como en el uso de programas computarizados de última generación.
Con la realización de un estudio estructural adecuado para los edificios de departamentos se determinará que tipo de material es más conveniente, las secciones mínimas de diseño, el diseño sismo-resistente que cumpla con las normas para que en un futuro se sigan cometiendo errores en los diseños que a su vez conducen a poner en riesgo vidas humanas y grandes costos en la reparación y reforzamiento de las estructuras.
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 GENERAL
Realizar el Estudio Estructural de los Edificios de Departamentos “LIMBURG PLATZ" de la ciudad de Quito para garantizar la seguridad de sus ocupantes.
1.4.2 ESPECÍFICOS
Definir el cálculo y diseño estructural sismo resistente para los edificios de departamentos.
Seleccionar normas y códigos de diseño estructural sismo-resistente para edificios de hormigón armado, tomando como base el ACI 318S-05 y el CEC 2002.
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Establecer procesos lógicos, ordenados y secuenciales de cálculo y diseño estructural sismo-resistente.
Definir alternativas de proceso para lograr resultados satisfactorios y confiables para la seguridad humana.
Utilizar programas computarizados adecuados para el análisis estructural y diseño sismo-resistente.
Obtener resultados y evaluarlos para un diseño seguro.
Obtener la infraestructura óptima para la construcción del edificio en base de los estudios fundamentales.
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CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS
En la actualidad el desarrollo tecnológico e ingenieril se ha incrementado en gran escala, motivo por el cual es necesario que toda estructura cuente con un análisis Sismo-Resistente, en cualquier sitio en el que se encuentre dicha estructura, más aún en zonas de alto riesgo sísmico como es el caso de la ciudad de Quito; es por esto que es imprescindible que el calculista conozca y maneje técnicas modernas y apropiadas para un correcto análisis estructural, en todos y cada uno de los diseños, garantizando su comportamiento y proporcionando una seguridad máxima.
En la actualidad ya se realizan diseños sísmicos para estructuras que van a ser construidas, pero poco o casi nada se realiza un análisis en las edificaciones ya existentes, sin embargo se requiere de un proceso para obtener una gama de resultados que reflejen la respuesta real de la estructura, frente a esto, el análisis estructural Sismo-Resistente representa la mejor alternativa para dar solución al mencionado problema
2.2 FUNDAMENTACIÓN FILOSÓFICA.
La investigación se halla bajo el paradigma crítico – positivista, ya que es objetiva y predominan los métodos cuantitativos, sabemos que existen leyes y reglamentos pre estructurados y esquematizados, es decir, que no podemos cambiar el procedimiento, además está orientado a la verificación, confirmación y análisis de resultados.
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2.3. FUNDAMENTACIÓN LEGAL
La presente investigación se basará en normas y especificaciones técnicas para la elaboración de diseño del Edificio en cuestión.
Estas normas son obligatorias para cumplir con los requerimientos básicos para la construcción del edificio:
FEMA-440
Código ACI (318-05)
Código Ecuatoriano de la Construcción (CEC-2002)
2.4 CATEGORÍAS FUNDAMENTALES 2.4.1 SUPRAORDINACIÓN DE VARIABLES. VARIABLE VARIABLE INDEPENDIENTE. DEPENDIENTE. Comparación de resultados Nivel Ocupacional Niveles de daño Parámetros de diseño Calidad de los materiales
Resistencia ante un sismo Satisfacción solicitaciones y seguridad de ocupantes Realización de Planos Estructurales Diseño Sismo-Resistente Interpretación de Resultados Aplicación del Programa ETABS Consideraciones de Cálculo Análisis de Planificación de Edificios Estudio estructural de Edificios
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2.4.2 CONCEPTOS BÁSICOS.
2.4.2.1 EDIFICIO.- Construcción permanente, separado e independiente,
concebido para ser utilizada como vivienda o para servir a fines agrarios, industriales, educativos, a la prestación de servicios o en general al desarrollo de una actividad. Una construcción es permanente si ha sido concebida y construida para atender necesidades de duración indefinida y que, por lo tanto, durará normalmente en el mismo sitio más de 10 años.
Toda construcción tiene elementos verticales y horizontales, lineales o planos, que pueden ser integrados en la estructura y que serán capaces de absorber cargas sísmicas. Una clasificación de estos elementos puede ser:
Diafragmas Pórticos
Tabiques de hormigón armado resistentes al corte. Mampostería portante arriostrada.
Pórticos con triangulaciones. Columna empotrada en la base. Sistemas Estructurales tipo cajón.
Para realizar una evaluación estructural de cualquier edificación se requiere realizar varios pasos:
Memoria.-En ella se incluye el programa de necesidades, se describirá las
características del edificio y el uso previsto que condicionan las exigencias de seguridad estructural, tanto a la capacidad portante, las bases de cálculo y la justificación del cumplimiento de las exigencias de seguridad.
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El periodo de servicio previsto, si difiere de 50 años.
Las simplificaciones efectuadas sobre el edificio, en uno o varios modelos de cálculo, indicando el tipo estructural adoptado, las características de las secciones, tipo de conexiones y condiciones de sustentación.
Las características mecánicas consideradas para los materiales estructurales y para el terreno que lo sustenta.
Las exigencias relativas a la capacidad portante y a la aptitud al servicio, incluida durabilidad.
De cada tipo de elemento estructural, la modalidad de análisis efectuado y los métodos de cálculo empleados.
Los planos del proyecto correspondientes a la estructura deben ser suficientemente precisos para la realización de la obra, a cuyos efectos se podrán deducir de planos auxiliares de obra o de taller, lo cual deben incluir detalles y especificaciones como:
Las cargas utilizadas en el diseño, carga viva, carga muerta, carga de viento, etc.
Tamaño y localización de todos los elementos estructurales, refuerzos y anclaje.
Tipo y localización de los empalmes soldados y mecánicos de refuerzo. Resistencia mínima a compresión del concreto.
Resistencia especificada o tipo de acero del refuerzo.
Ubicación y detallado de todas las juntas de contracción o expansión especificadas del concreto.
La comprobación estructural de un edificio requiere:
Determinar las situaciones de dimensionamiento adecuado que resulten determinante;
Establecer las acciones que deben tenerse en cuenta y los modelos adecuados para la estructura;
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Realizar el análisis estructural, adoptando métodos de cálculo adecuados a cada problema;
Verificar que, para las situaciones de dimensionamiento correspondiente, no se sobrepasen los estados límite.
En las verificaciones se tendrá en cuenta los efectos del paso del tiempo (acciones químicas, físicas y biológicas; acciones variables repetidas) que pueden inducir en la capacidad portante o en la aptitud del servicio, en concordancia con el período de servicio.
2.4.2.2 CONSTRUCCIÓN DE EDIFICIOS.- La construcción de edificio es un
ejemplo de las tareas de ingeniería civil que nos es muy familiar. Alrededor de todo el mundo, se construyen en las ciudades enormes de rascacielos y grandes bloques de viviendas u oficinas.
2.4.2.3 CLASIFICACIÓN DE EDIFICACIONES.- Para fines de evaluar las
fuerzas sísmicas los edificios se clasifican de acuerdo con su uso y sus características estructurales. En cuanto al uso, la mayoría de las normas distinguen a los edificios importantes, ya sea porque en ellos existan grandes concentraciones de personas, o porque su supervivencia resulte vital para responder a las situaciones de emergencia provocadas por los sismos.
Conviene subrayar que los hospitales son un buen ejemplo, tanto de edificios con una gran densidad de uso, como de centros indispensables para la atención de las víctimas después de un sismo. En general, a los edificios importantes se les asigna un factor de sobre-diseño que afecta directamente al cálculo de las fuerzas sísmicas.
Las características estructurales definen fundamentalmente el comportamiento inelástico de los edificios. Como se verá más adelante, un buen porcentaje de los reglamentos latinoamericanos proporciona coeficientes sísmicos y espectros de diseño que consideran el comportamiento inelástico de las estructuras, lo cual
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permite utilizar valores de diseño, menores que los necesarios para mantenerse en el rango elástico. De aquí que sea necesario clasificar a las estructuras en función de las características que definen su capacidad para absorber energía en el rango inelástico.
2.4.2.4 PARTES CONSTITUTIVAS DE UN EDIFICIO.
Un edificio está constituido por dos partes:
Superestructura.- es el conjunto de elementos que resisten directamente las
cargas, tales como: losas, vigas, viguetas, etc.
Infraestructura.- específicamente son las partes encargadas de transmitir las
cargas de la superestructura a la infraestructura hasta la tierra: columnas, cimentaciones.
2.4.2.5 PARÁMETROS DE DISEÑO:
2.4.2.5.1 ELEMENTO ESTRUCTURAL.-Es cada una de las partes
diferenciadas aunque vinculadas en que puede ser dividida una estructura a efectos de su diseño (cimientos, columnas, vigas y pisos). El diseño y comprobación de estos elementos se hace de acuerdo con los principios de la ingeniería estructural y la resistencia de materiales.
Los elementos estructurales suelen clasificarse en virtud de tres criterios principales:
Dimensionalidad del elemento, según puedan ser modelados como
elementos unidimensionales (vigas, arcos, pilares,...), bidimensionales (placas, láminas, membranas) o tridimensionales.
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Forma geométrica o posición, La forma geométrica concreta afecta a los
detalles del modelo estructural usado, así si la pieza es recta como una viga o curva como un arco, el modelo debe incorporar estas diferencias, también la posición u orientación afecta al tipo de estado tensional que tenga el elemento.
Estado tensional o solicitaciones predominantes, Los tipos de esfuerzos
predominantes pueden ser tracción (membranas y cables), compresión (pilares), flexión (vigas, arcos, placas, láminas) o torsión (ejes de transmisión, etc.).
2.4.2.5.2 ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES.-Se consideran como
elementos no-estructurales, aquellos que estando o no conectados al sistema resistente a fuerzas horizontales, su aporte a la rigidez del sistema es despreciable y que están unidos a las partes estructurales (cimientos, columnas, vigas y pisos).
Estos elementos se clasifican en dos grupos: arquitectónicos y las instalaciones básicas cumpliendo funciones esenciales en el edificio relacionados como propósito y la función del mismo.
2.4.2.5.3 DISTRIBUCIÓN Y CONCENTRACIÓN DE MASAS.- La
distribución de las masas debe ser lo más uniforme posible, en cada planta como en altura. Es conveniente que la variación de las masas piso a piso acompañe a la variación de la rigidez. Si la relación masa-rigidez varia bruscamente de un piso a otro se producen concentraciones de esfuerzos.
Se debe evitar la presencia de masas superfluas, tales como rellenos excesivos en terrazas, terrazas con jardín, etc. Es conveniente solucionar la provisión de agua con sistemas que eviten la construcción de una reserva de agua voluminosa en el nivel más alto del edificio.
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2.4.2.5.4 SIMETRÍA.- Con el término simetría describimos una propiedad
geométrica de la configuración del edificio. Un edificio es simétrico respecto a dos ejes en planta si su geometría es idéntica en cualquiera de los lados de los ejes. Este edificio será perfectamente simétrico. La simetría puede existir respecto a un eje solamente. También existe simetría en elevación, aunque es más significativa desde el punto de vista dinámico la simetría en planta. La simetría en altura no es perfecta porque todo edificio tiene un extremo fijo al terreno y libre el otro.
La falta de simetría tiende a producir excentricidad entre el centro de masa y el centro de rigidez, y por lo tanto provocará torsión en planta. A medida que más simétrico es el edificio, disminuye el momento torsor en planta y el comportamiento de la estructura es más predecible.
La asimetría tiende a concentrar esfuerzos, el ejemplo más común es el caso de las esquinas interiores. Aunque un edificio simétrico puede tener esquinas interiores como es el caso de las plantas en cruz. En este caso la planta del edificio es simétrica pero no es una planta regular.
Los núcleos de las circulaciones verticales, pueden producir también asimetrías si su ubicación o solución constructiva genera elementos estructurales rígidos en la distribución estructural. Existe simetría estructural si el centro de masa y el centro de rigidez coinciden en la planta. La simetría es conveniente también a la forma del edificio sino también a la distribución de la estructura.
2.4.2.5.5ALTURA.- La altura de un edificio influye directamente en el período
de oscilación, si aumenta la altura aumenta el período. Si un edificio alto tiene un período cercano a 2 segundos es probable que su aceleración sea menor que un edificio más bajo, de 5 a 10 pisos, con período de ½ segundo. Los registros de terremotos indican que los sismos concentran su energía y mayores aceleraciones en períodos cercanos a ½ segundo.
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Algunos reglamentos limitaban la altura de los edificios en áreas sísmicas, pero en las normas actuales, la tendencia es que la limitación sea un producto de la calidad del diseño.
2.4.2.5.6 RIGIDEZ.- La rigidez se confunde con resistencia, pero son dos
conceptos diferentes, en tanto la resistencia es la capacidad de carga que puede soportar un elemento estructural antes de colapsar, la rigidez mide la capacidad que un elemento estructural tiene para oponerse a ser deformado.
Se dice que un cuerpo es más rígido cuanto mayor sea la carga que es necesario aplicar para alcanzar una deformación dada. Analíticamente la rigidez de un elemento se expresa mediante el cociente entre la carga y la deformación que esta produce.
En las estructuras modernas de edificios es común adoptar soluciones con pórticos, que se construyen con vigas y columnas unidas en sus nudos, constituyendo un elemento con continuidad estructural. La unión entre diferentes componentes de una estructura tiene una influencia decisiva en su rigidez, o lo que es lo mismo en su deformabilidad. Matemáticamente la flexibilidad se define como la inversa de la rigidez, o sea como el cociente entre la deformación y la carga que produce esa deformación.
2.4.2.5.7 CALIDAD DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN:
CEMENTO.- Un material cementante es aquel que tiene las propiedades de
adhesión y cohesión necesario para unir agregados inertes y conformar una masa sólida de resistencia y durabilidad adecuada. (Nilson, 2001). Hay varios tipos de cementos. Las propiedades de cada uno de ellos están íntimamente asociadas a la composición química de sus componentes iniciales, que se expresa en forma de sus óxidos, y que según cuales se formarán compuestos resultantes distintos en las reacciones de hidratación.
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HORMIGÓN.- El hormigón armado es el material de unir áridos con la pasta
que se obtiene al añadir agua a un conglomerante. El conglomerante puede ser cualquiera, pero cuando nos referimos a hormigón generalmente es un cemento artificial, entre estos últimos, el más importante y habitual es el cemento portland. La pasta formada por cemento y agua es la que confiere al hormigón su fraguado y endurecimiento, mientras que el árido es un material inerte sin participación en el fraguado y endurecimiento.
Ventajas del hormigón armado. Las ventajas del hormigón armado incluyen las
de sus dos materiales componentes que son el hormigón y el acero, a continuación describimos algunas ventajas:
Se adapta a formas diversas. Su costo relativamente bajo.
Resistencia a los elementos atmosféricos y al fuego. Resistencia a compresión
Resistencia a tracción. Ductilidad.
Resistencia y deformación del Hormigón Armado a compresión. En efecto su
comportamiento depende de la relación entre los esfuerzos sobre el material de las estructuras y las deformaciones de dicho material.
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Figura 1. Resistencia y deformación del Hormigón Armado a compresión.
En efecto su comportamiento depende de la relación entre los esfuerzos sobre el material de las estructuras y las deformaciones de dicho material.
f’c = Esfuerzo característico del hormigón = esfuerzo de rotura a los 28 días. ε0= Deformación del hormigón cuando alcanza su máxima resistencia = 0,002
tan Φ = Ec = Módulo de elasticidad del hormigón =
; Ec = 15.000.00 f ' c
(kg/cm2).
El comportamiento es lineal hasta un esfuerzo igual a 0,70f’c. En la realidad y observando el gráfico, el comportamiento es lineal hasta un esfuerzo igual 0,50f’c.
Módulo de elasticidad.-Es la pendiente de la recta que identifica al rango elástico
de comportamiento de los materiales, y en el caso del hormigón se representa “Ec”. Numéricamente el módulo de elasticidad es el cociente entre el esfuerzo y la deformación unitaria dentro del rango elástico.
S
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AGREGADOS.- Para concretos estructurales comunes, los agregados ocupan
aproximadamente entre el 70 y el 75 por ciento del volumen de masa endurecida, el resto está conformado por la pasta de cemento endurecida, agua no combinada y vacíos de aire. Mientras más densamente pueda empaquetarse el agregado, mejor será el refuerzo, la resistencia a la intemperie y la economía del concreto. Por esta razón, resulta de fundamental importancia la graduación del tamaño de las partículas de los agregados, con el fin de producir este empaquetamiento compacto.
Los agregados naturales se clasifican en finos y gruesos. Un agregado fino o arena es cualquier material que pase el tamiz No. 4, es decir, un tamiz con cuatro aberturas por pulgada lineal. El material más grueso que este se clasifica como agregado grueso o grava. Cuando se desea una graduación óptima, los agregados se separan mediante tamizado, en dos o tres grupos de diferente tamaño.
ACERO DE REFUERZO.- El tipo más común de acero de refuerzo
(distinguiéndose de los aceros de pre-esfuerzo) viene en forma de barra circular llamadas varillas y disponibles en un amplio intervalo de diámetro aproximadamente de 10cm hasta 36cm para aplicaciones normales y en dos tamaños de barra pesados de aproximadamente 40cm.
Hoy en día el acero que generalmente se utiliza para el diseño tiene una fluencia fy=4200 kg/cm2 y no se recomienda soldar para los empalmes, estribos, zunchos, etc. Razón por la cual para las diferentes necesidades de uniones entre varillas se utiliza alambre de amarre debidamente especificado en el código ecuatoriano de la construcción CEC2002.
Estas barras vienen corrugadas para aumentar la resistencia al deslizamiento entre el acero y el concreto. Los requisitos mínimos para los resaltes superficiales (espaciamiento, proyección, etc.). Se han determinado mediante investigación experimental.
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Figura. 2. Resistencia y deformación del acero a tracción.
Obsérvese que su comportamiento a compresión es similar al de tracción, siempre y cuando se controle el pandeo.
fy = Esfuerzo de fluencia.
εy=
Es f y
Deformación cedente del acero.
εan = Ductilidad del acero.
Es = Módulo de elasticidad del acero.
Ductilidad µ =
y su
εsu = Deformación de rotura del acero.
Detalles de armado.- El detalle de armado para las diversas barras de acero
(varillas) que conforman el diseño de hormigón armado requiere un análisis detallado para salvaguardar la seguridad de la estructura. El CEC2002 provee normas para cada una de las solicitaciones de construcción, especificados en los siguientes partes:
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Detalle de Refuerzo CEC2002 Parte 2, Capítulo 7.
Longitudes de Desarrollo y Empalmes de Refuerzo CEC2002 Parte 2, Capítulo 12.
2.4.2.6 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO SISMO-RESISTENTE:
SISMO DE DISEÑO.- Terremoto que tiene una probabilidad del 10% de ser
excedido en 50 años, determinado bien a partir de un análisis de la peligrosidad sísmica del sitio de emplazamiento de la estructura, o a partir de un mapa de peligro sísmico, tal como el proporcionado por este código. Para representar este terremoto, puede utilizarse un grupo de acelerogramas que presenten propiedades dinámicas representativas de las características tectónicas, geológicas y geotécnicas del sitio. Los efectos dinámicos del sismo de diseño pueden representarse mediante un espectro de respuesta para diseño.
CORTANTE BASAL DE DISEÑO.- Los valores establecidos en la Tabla 3
del CEC2002, provienen de los valores de aceleraciones espectrales máximas esperados para valores de Z (Factor de Zona Sísmica) y de tipo de suelo crítico. La intersección entre el valor de C y su límite interior Cm, define la frecuencia de esquina o de corte que separa la zona de períodos con aceleración constante con la zona de períodos de velocidad constante, dependiendo del tipo de suelo.
Tabla 1. Coeficiente de suelo S y Coeficiente Cm
Perfil Tipo Descripción S Cm
S1 Roca o suelo firme 1,0 2,5
S2 Suelos intermedios 1,2 3,0
S3 Suelos blandos y estrato profundo 1,5 2,8
S4 Condiciones especiales de suelo 2,0* 2,5
(*) = Este valor debe tomarse como mínimo, y no substituye los estudios de detalle necesarios para construir sobre este tipo de suelo.
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PERÍODO DE VIBRACIÓN (T).- El Código Ecuatoriano de la Construcción
2002 nos proporciona dos tipos de métodos para calcular el método de vibración.
Método 1.- Para estructuras de edificación, el valor de T puede determinarse de manera aproximada, proporciona un valor referencial simplificado, útil para aplicar el método de cálculo sísmico estático. El método 2.- Puede ser calculado utilizando las propiedades
estructurales y las características de deformación de los elementos resistentes, en un análisis apropiado. Requiere de utilizar una distribución aproximada de fuerzas laterales y el cálculo de las deflexiones elásticas estáticas resultantes de esa distribución de fuerzas en la estructura (incluye por tanto el efecto delas distribuciones de las rigideces laterales de la estructura). Por lo tanto, los resultados del método 2constituyen una mejor estimación.
FACTOR DE REDUCCIÓN DE RESISTENCIA SISMICA (R).- El factor
de Resistencia R depende del tipo de estructuras, tipo de suelo, del período de vibración considerado y de los factores de ductilidad, sobre-resistencia, redundancia y amortiguamiento de una estructura en condiciones límite.
SEPARACIÓN ENTRE ESTRUCTURAS ADYACENTES.- El
establecimiento de separaciones máximas entre estructuras desea evitar el golpeteo entre estructuras adyacentes, o entre partes de la estructura intencionalmente separadas, debido a las deformaciones laterales.
Se considera el efecto desfavorable en que los sistemas de entrepiso de cada una de las partes intencionalmente separadas de las estructuras, o de las estructuras adyacentes, no coincidan a la misma cota de altura. Para los casos de coincidencia o no coincidencia, se establece cuantificación de separación máxima. Cabe mencionar que la exigencia impuesta está cerca al 50% del valor de separación máxima que debería estrictamente cumplirse.
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COEFICIENTE SÍSMICO.- Coeficiente sísmico define el porcentaje del peso
total de la estructura que se debe considerar como cortante actuante en su base con fines de diseño. Para una región sísmica específica la mayoría de las normas proporcionan valores del coeficiente sísmico en función de las características estructurales, del uso del inmueble y del tipo de suelo.
Los valores del coeficiente sísmico para suelos compresibles suelen ser mayores que para los firmes, ya que consideran la amplificación que sufren las ondas sísmicas en este tipo de suelos. En varios casos el coeficiente sísmico es también función del período fundamental de la estructura, por lo cual estos reglamentos proporcionan expresiones para su cálculo aproximado.
BASES DEL DISEÑO.- Los procedimientos y requisitos descritos en el
CEC2002 se determinarán considerando la zona sísmica del Ecuador donde se va a construir la estructura, las características del suelo del sitio de emplazamiento, el tipo de uso, destino e importancia de la estructura, y el tipo de sistema y configuración estructural a utilizarse. Las estructuras deberán diseñarse para una resistencia tal que puedan soportar los desplazamientos laterales inducidos por el sismo de diseño, considerando la respuesta inelástica, la redundancia y sobre-resistencia estructural inherente, y la ductilidad de la estructura. La resistencia mínima de diseño deberá basarse en las fuerzas sísmicas de diseño establecidas en el Código Ecuatoriano de Construcción 2002.
2.4.2.7 DISEÑO SISMO-RESISTENTE.- Los elementos y características que
definen la estructura sismo-resistente de un edificio como: configuración del edificio, escala, simetría, altura, tamaño horizontal, distribución y concentración de masas, densidad de estructura en planta, rigidez, piso flexible, esquinas, resistencia perimetral, redundancia, centro de masas, centro de rigideces, torsión, período propio de oscilación, ductilidad, amortiguamiento, sistemas resistentes.
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2.4.2.8 DESEMPEÑO SÍSMICO.- Comportamiento estructural ante la
excitación sísmica, se cuantifica en términos de la cantidad de daño en un edificio afectado por un movimiento sísmico. El diseño basado en el desempeño sísmico consistente en la selección de esquemas de evaluación apropiados que permitan el dimensionamiento y detalle de los componentes estructurales, no estructurales y contenidos, de manera que, para unos niveles de movimiento de terreno determinados y con ciertos niveles de fiabilidad, los daños en la estructura no deberán superar ciertos estados límite (Bertero, 1997).
De acuerdo al comité VISION 2000, la ingeniería basada en el desempeño no solo involucra aspectos relacionados con el diseño, sino que también considera todas aquellas actividades necesarias tanto para el proceso constructivo, como para las tareas de mantenimiento, que permiten que las estructuras exhiban un desempeño sísmico predecible cuando se ven afectadas por sismos de diferente severidad.
2.4.2.9 ANÁLISIS ESTÁTICO.-El Análisis Estático Elástico es un análisis de
cargas que no varían en el tiempo y en el cual la estructura no excede el rango elástico.
Las cargas estáticas pueden tener un origen gravitatorio, de viento, de nieve, etc. Existen procedimientos para el análisis sísmico de edificios en los que las solicitaciones sísmicas se pueden representar por medio de un conjunto de cargas estáticas. Comprende el análisis de las fuerzas, desplazamientos, velocidades y aceleraciones que aparecen en una estructura o mecanismo como resultado de los desplazamientos y deformaciones que aparecen en la misma.
En el análisis estático, la determinación de la excentricidad estructural requiere del cálculo de las coordenadas del centro de rigidez, sin embargo, resulta complicado establecerlas para un edificio de varios niveles ya que los programas comerciales existentes, generalmente no tienen implementados los procedimientos y formulaciones matemáticas, o bien como se comenta en (Goel y Chopra, 1993),
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existen otros métodos simplificados que requieren de modelos equivalentes que representan a la estructura.
2.4.2.10 ETABS.- Es un programa de cálculo de estructuras por elementos finitos,
para análisis estático y dinámico lineal y no lineal, con especiales características para el análisis y diseño estructural de edificaciones que trabaja dentro de un sistema de datos integrados. Los métodos numéricos usados en el programa, los procedimientos de diseño y los códigos internacionales de diseño, le permitirán ser versátil y productivo, tanto si se esta diseñando un pórtico bidimensional o realizando un análisis dinámico de un edificio de gran altura con aisladores en la base.
2.4.2.11 MÉTODOS NUMÉRICOS.- son usados para analizar la edificación,
permiten modelar sistemas de piso de tableros de acero y losas de concreto que puedan automáticamente transmitir sus cargas a las vigas principales. El enmallado de elementos finitos elaborados automáticamente de un complejo sistema de piso con interpolación de desplazamientos en transiciones de diferentes características de mallas, asociado con el análisis dinámico, permite la inclusión de los efectos de flexibilidad del diafragma en el análisis de una manera práctica.
Las opciones de análisis dinámico vertical permiten incluir los efectos de las componentes del movimiento vertical del terreno en su análisis sísmico. Los problemas especiales asociados con la construcción de estructuras típicas han sido asociados con técnicas numéricas personalizadas que permiten incluir fácilmente sus efectos en el análisis.
2.4.2.12 DISEÑO DE ESTRUCTURAS.- Las normas de diseño
sismo-resistente exigen la revisión de la seguridad de las estructuras ante la combinación de las cargas muertas con las vivas y con los efectos de sismo. Las cargas vivas consideradas suelen ser un porcentaje de los valores máximos probables, para tomar en cuenta el efecto accidental del sismo.
