Optimización del montaje y cálculo de la resistencia de los elementos de una estructura de acero en Arequipa

Texto completo

(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA. TESIS TITULADA: OPTIMIZACIÓN DEL MONTAJE Y CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE LOS ELEMENTOS DE UNA ESTRUCTURA DE ACERO EN AREQUIPA PRESENTADO POR EL BACHILLER: EDISSON ALBERTO CHUTA HANCCO PARA OPTAR ELTÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECÁNICO ASESOR: ING. JAVIER OCTAVIO OVIEDO CORNEJO AREQUIPA-PERU 2019.

(2) DEDICATORIA. A: Mis padres Alberto Chuta Cáceres, que me enseño que a la vida se le pelea con esfuerzo y Petronila Hancco Chuquihuayta, por regalarme un diccionario donde no existe en ningún lado la palabra “rendirse”. Y para mis hermanos que siempre me pusieron su hombro para saltar cada vez más alto..

(3) RESUMEN La presente investigación se realiza debido a la necesidad de encontrar una manera económica en el montaje de estructuras de acero, gracias a una mejor configuración de las vigas secundarias y un mejor desempeño energético en la operación debido al aprovechamiento de la energía solar como energía renovable. El diseño de estructuras en acero y estructuras compuestas, se lleva a cabo aplicando los códigos estandarizados en nuestro país, las NTP promulgadas y aprobadas por los Comités Técnicos de Normalización (CTN), también se usó para el diseño las normas AISC Manual of Steel Construction: Load and Resistance Factor Design, Third Edition (LRFD 3rd Edition). La investigación toca 2 puntos importantes, los cuales son: 1.- Ahorro económico debido al uso de perfiles de menor sección, como resultado de una nueva distribución de vigas. 2.- Ahorro energético debido al uso de la energía solar para iluminación y generación de energía eléctrica.. PALABRAS CLAVE: Diseño, Edificio de acero, Vigas, energía solar.

(4) ABSTRACT The present research is carried out due to need to find an economic way in the assembly of steel structures, thanks to a better configuration of the secondary beams and a better energy performance in the operation due to the use of solar energy as renewable energy. The design of steel structures and composite structures is carried out by applying the standardized codes in our country, the NTP that were promulgated and approved by the Technical Standards Committees (CNT), the AISC Manual of steel construction: Load and Resistance Factor Design, Third Edition (LRFD 3rd Edition). The investigation touches 2 important points, which are: 1.-Economic saving due to the use of profiles of smaller section, as a result of a new distribution of beams. 2.-Energy saving due to the use of solar energy for lighting and generation of electrical energy.. KEY WORDS: Design, Steal Building, beams, solar energy.

(5) INDICE 1.. Estado del Arte .................................................................................................................. 1 1.1.. Antecedentes de Edificios de Energía Casi Nula.................................................... 1. 1.2.. Antecedentes de Estructuras con Uso Solar en Arequipa ..................................... 3. 1.3.. Antecedentes de la Dirección de la Nervadura ...................................................... 4. 1.4.. Antecedentes de las Construcciones Compuestas .................................................. 6. 1.5.. Identificación del Problema ..................................................................................... 8. 1.6.. Descripción del Problema ........................................................................................ 9. 1.7.. Propuesta de la Investigación ................................................................................ 10. 1.8.. Hipótesis ................................................................................................................... 11. 1.9.. Objetivos .................................................................................................................. 13. 1.10. Justificación. ............................................................................................................ 13 1.11. Limitantes ................................................................................................................ 14 2.. Marco Teórico ................................................................................................................. 15 2.1.. Fundamentación Legal ........................................................................................... 15. 2.2.. El Acero Estructural ............................................................................................... 17. 2.3.. Tipos de Estructuras de Acero .............................................................................. 20. 2.4.. Cargas Actuantes en las Estructuras .................................................................... 20. 2.5.. Comportamiento Sísmico de las Estructuras de Acero. ...................................... 22. 2.6.. Losa Colaborante Acero-Deck. .............................................................................. 23. 2.7.. Conectores de Corte................................................................................................ 30.

(6) 3.. 4.. 5.. 2.8.. Diseñ o Estructural Resistentes a Momentos ........................................................ 35. 2.9.. Conexiones Precalificadas a Momento.24 .............................................................. 36. Bases de Cálculo .............................................................................................................. 40 3.1.. Elección de la Losa Colaborante ........................................................................... 40. 3.2.. Formas de Distribución de las Vigas Secundaria ................................................ 47. 3.3.. Asignación del Diafragma ...................................................................................... 57. 3.4.. Análisis de Cargas ................................................................................................... 59. 3.5.. Análisis de Viento.................................................................................................... 59. 3.6.. Análisis Sísmico ....................................................................................................... 60. 3.7.. Disposición de Cargas en Edificio ......................................................................... 60. Metrado de Cargas y Predimensionamiento ................................................................ 61 4.1.. Generalidades .......................................................................................................... 61. 4.2.. Metrado de Cargas y Predimensionamiento ........................................................ 62. Análisis Estructural ........................................................................................................ 78 5.1.. 6.. Análisis de la Estructura ........................................................................................ 78. Diseñ o Según la Aisc ....................................................................................................... 91 6.1.. Introducción ............................................................................................................ 91. 6.2.. Conceptos del LRFD (Load and Resistance factor design)................................. 91. 6.3.. Fundamentos del Metodo LRFD ........................................................................... 92. 6.4.. Factores de Carga ................................................................................................... 92. 6.5.. Factores de Resistencia ........................................................................................... 93.

(7) 7.. 8.. 6.6.. Diseñ o de Miembros a Flexión Vigas o Trabes .................................................... 93. 6.7.. Diseñ o del Pórtico ................................................................................................... 95. 6.8.. Diseñ o de Losa Colaborante25.............................................................................. 138. Diseñ o de Sistemas Complementarios ......................................................................... 143 7.1.. Instalación de Vidrios Tipo para el Edificio ....................................................... 143. 7.2.. Calculo de la Demanda Energética de los Edificios ........................................... 144. Costos y Presupuesto .................................................................................................... 155 8.1.. Introducción .......................................................................................................... 155. 8.2.. Análisis de Costos Unitarios................................................................................. 155.

(8) INDICE DE FIGURAS Figura 1: Primer Edificio de Energía Cero en América Latina, México. .................................. 2 Figura 2: Edificio con Aprovechamiento Solar en Arequipa. .................................................... 3 Figura 3: Sentido de las Nervaduras de las Losas Colaborantes. ............................................... 5 Figura 4: Montaje de Placas Colaborantes. ................................................................................ 6 Figura 5: Losa Colaborante. ....................................................................................................... 8 Figura 6: Componentes de la Losa Colaborante. ..................................................................... 23 Figura 7: Fabricación de Plancha Colaborante. ....................................................................... 24 Figura 8: Distribución del Acero de Refuerzo sobre las Placas Colaborantes. ........................ 25 Figura 9: Vaciado de Concreto. ............................................................................................... 26 Figura 10: Curado del Concreto. .............................................................................................. 26 Figura 11: Dimensiones de la Losa Colaborante AD-900. ...................................................... 27 Figura 12: Dimensiones de la Losa Colaborante AD-600. ...................................................... 28 Figura 13: Dimensiones de la Losa Colaborante AD-730. ...................................................... 29 Figura 14: Detalle de Instalaciones de Conectores de Corte. ................................................... 30 Figura 15: Componentes Estructurales de un Pórtico no Arriostrado. ..................................... 31 Figura 16: Tensiones de Corte en un Nudo Viga-Columna Modelado Mediante Elementos Finitos Bidimensionales. ............................................................................................................... 32 Figura 17: Esfuerzos en el Panel Nodal M y V ........................................................................ 33 Figura 18: Esfuerzos donde los Momentos han sido Reemplazados por Cuplas Equivalentes. ....................................................................................................................................................... 33 Figura 19: Placas Nodales de Refuerzo con Soldadura de Tapón. .......................................... 34.

(9) Figura 20: Placas Nodales de Refuerzo en el caso en que no es Necesario Colocar Placas de Continuidad. .................................................................................................................................. 34 Figura 21: Fallas en la Conexión Columna-Viga. .................................................................... 36 Figura 22: Conexión de Plancha Extrema Extendida Empernada Rigidizada y no Rigidizada. ....................................................................................................................................................... 37 Figura 23: Conexión de Viga Reducida (RBS) ........................................................................ 37 Figura 24: Conexión de Ala Soldada no Reforzada-Alma Soldada. ........................................ 38 Figura 25: Conexión de Plancha de Ala Empernada................................................................ 38 Figura 26: Conexión Empernada Soportada Tipo Bracket. ..................................................... 39 Figura 27: Conectores de Corte Usado para el Diseño. ........................................................... 42 Figura 28: Volumen de Concreto para cada Tipo de Perfil de Losas Colaborantes. ............... 43 Figura 29: Elementos que Componen una Losa Colaborante. ................................................. 44 Figura 30: Dimensiones para el Diseño de Losa Colaborante. ................................................ 46 Figura 31: Distribución de Carga en Vigas de Amarre y Vigas de Carga. .............................. 48 Figura 32: Importancia de la Luz en un Diseño. ...................................................................... 49 Figura 33: Vista de Planta de la Primera Posible Distribución. ............................................... 50 Figura 34: Distribución de Vigas Secundarias en un solo Sentido. ......................................... 51 Figura 35: Análisis de Vigas Distribuidas en un solo Sentido (Diferenciar Vigas de Amarre y Vigas de Carga)............................................................................................................................. 52 Figura 36: Distribución de Vigas Secundarias en Ambos Sentidos. ........................................ 53 Figura 37: Análisis de Vigas Distribuidas en Ambos Sentidos (Diferenciar Vigas de Amarre y Vigas de Carga)............................................................................................................................. 53 Figura 38: Distribución de Viga en Sentidos Opuestos. .......................................................... 54.

(10) Figura 39: Análisis de Vigas Distribuidas en Sentidos Cruzados (Diferenciar Vigas de Amarre y Vigas de Carga).......................................................................................................................... 55 Figura 40: Distribución de las Cargas por Á rea. ...................................................................... 56 Figura 41: Sentido de Instalación de Placas Colaborantes. ...................................................... 57 Figura 42: Diafragma de la Estructura. .................................................................................... 58 Figura 43: Distribución de Carga Muerta. ............................................................................... 78 Figura 44: Distribución de Carga Viva. ................................................................................... 79 Figura 45: Mapa de Ubicación de la Construcción. ................................................................. 80 Figura 46: Hn, Altura Visible del Edificio ............................................................................... 84 Figura 47: Actuante de la Fuerza Cortante Basal. .................................................................... 86 Figura 48: Gráfica de la Aceleración Espectral (Sa) vs Periodo (T) ........................................ 90 Figura 49: Solicitaciones de una Viga Típica: Flexión y Cortante. ......................................... 93 Figura 50: Miembros a Flexión. ............................................................................................... 94 Figura 51: Curva de Momento Resistente Nominal. Longitud no Soportada Lateralmente. ... 94 Figura 52: Partes de un Perfil W. ............................................................................................. 95 Figura 53: Pórtico de Análisis. ................................................................................................. 95 Figura 54: Longitud Máxima Permitida entre Soportes Laterales. ........................................ 112 Figura 55: Nomografia para Determinar la Longitud Efectiva de Columnas en Marcos Continuos. ................................................................................................................................... 117 Figura 56: Diagrama de Esfuerzo Critico contra la Relación de Esbeltez. ............................ 119 Figura 57: Curva de Momento Resistente Nominal vs Longitud no Soportada Lateralmente. ..................................................................................................................................................... 120 Figura 58: Representación de Momentos en una Unión Viga-Columna. .............................. 129.

(11) Figura 59: Fuerzas de Corte y Momentos en Uniones Viga-Columna. ................................. 129 Figura 60: Representación de Momentos Producidos por las Vigas. ..................................... 132 Figura 61: Representación de Momentos Producidos por las Columnas. .............................. 132 Figura 62: Representación de los Momentos Producidos por las Vigas en las Caras del Ala de las Columna. ............................................................................................................................... 134 Figura 63: Momentos y Cortes Máximos Probables de las Vigas, Ubicados en la Cara de la Columna. ..................................................................................................................................... 135 Figura 64: Planchas Adosadas al Alma (refuerzo). ................................................................ 138 Figura 65: Diagrama de Momentos para una Losa Colaborante de 3 Tramos....................... 139 Figura 66: Isométrico con Doble Acristalamiento para el Ingreso de la Luz Solar. .............. 144 Figura 67: Esquema de la Instalación del Sistema Solar Fotovoltaico. ................................. 145 Figura 68: Irradiación Diaria Media Mensual en el Plano. .................................................... 149 Figura 69: Inversor C/Red Fronius Eco 27-0-3 27 Kw Trifásico. ......................................... 151 Figura 70: Fronius Smart Meter 50KA-3 Trifásico. .............................................................. 151 Figura 71: Diagrama de Funcionamiento del Sistema Fotovoltaico. ..................................... 152.

(12) INDICE DE TABLAS Tabla 1: Medidas de la Placa Colaborante AD-900 ................................................................ 27 Tabla 2 Medidasd de la Placa Colaborante AD-600 ................................................................ 28 Tabla 3: Medidas de la Placa Colaborante AD-730 ................................................................. 29 Tabla 4: Dimensiones de Conectores de Corte. ....................................................................... 30 Tabla 5: Tipos de Perfiles para Placas Colaborantes Acero Deck ........................................... 40 Tabla 6: Propiedades y Dimensiones de la Losa Colaborante ................................................. 46 Tabla 7: Parametros obtenidos del Estudio de Suelos. ............................................................ 81 Tabla 8: Parametros Sismoresistentes ...................................................................................... 88 Tabla 9: Aceleracion Espectral por Periodo............................................................................. 89 Tabla 10: Irradiación Solar Mensual para la Ciudad de Arequipa ......................................... 149 Tabla 11: Irradiación Solar Total menos Perdidas para la Ciudad de Arequipa .................... 150 Tabla 12: HSP Mensuales (h) ............................................................................................... 150 Tabla 13: Resumen y Elección de los Equipos para el Sistema de Iluminación.................... 152 Tabla 14: Costo de Equipos del Sistema de Iluminación ....................................................... 153 Tabla 15: Tasa de Retorno…………………………………………………………………..154.

(13) 1 CAPITULO 1 1. Estado del Arte 1.1.. Antecedentes de Edificios de Energía Casi Nula En 1994 los estados miembros de la unión europea se comprometieron con el protocolo de. Kioto a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 8%, durante el primer periodo (2008-2012) respecto al año base, en el segundo periodo (2013-2020) la intención de la unión europea era reducir las emisiones en un 20% con respecto al año base, y parte de este proyecto era realizar las construcciones más eficientes y que apenas consuman energía, en ese motivo aparece la definición de estructuras de consumo casi nulo1. En el mundo, las estructuras de energía casi nula, están realizándose en diferentes lugares del planeta. En la conferencia española Passivhaus, donde se tratan temas de eficiencia energética, se presentan datos donde indican que las construcciones actuales representan el 40% del consumo de energía y, por lo tanto, de la contaminación que este consumo genera2, y señalar que nuestro país seguirá la misma tendencia. Un estructura de energía casi nula, es aquella construcción que tienen un nivel de eficiencia energética muy alto, debido al aprovechamiento de fuentes de energía renovables, de esta manera el consumo energético con respecto a un construcción convencional es considerablemente menor, para alcanzar este objetivo, en primer lugar es reducir la demanda energética del edificio, actuando. 1. Hornero, G., Cándido, A. y Masedo, V. (2018). ¿ Qué es un edificio de consumo casi nulo? Construcción Passivhaus-ECCN. Madrid. 2 (2016). los edificios, responsables de más del 40% del consumo de energía. El Mundo, Madrid..

(14) 2 en el diseño del edificio, mejorar la envolvente y reducir las cargas internas y mejorando la eficiencia de equipos y sistemas, una vez llegado a este punto es posible generar la energía demandada, mediante la incorporación de sistemas activos solares térmicos y la producción de energías renovables para el autoconsumo y exportación a la red3. Como se ha podido investigar la primera construcción en Latinoamérica aspirante a obtener la certificación NZEB (Construcción de energía cero), que será construido dentro del desarrollo Arboleda, en el área metropolitana de Monterrey, Nuevo león4.. Figura 1: Primer Edificio de Energía Cero en América Latina, México. Fuente: Pich-Aguilera Arquitectos.. 3. (2018) ¿ Qué son los edificios de energía casi nula o EECN? El blog de LafargeHolcim, Madrid. Consorcio “Edificios Cero Energía”, (2017). Consorcio Empresarial Registra Primer edificio “cero energía” en Latinoamérica. Galt Energy. México. 4.

(15) 3 1.2.. Antecedentes de Estructuras con Uso Solar en Arequipa Tenemos la primera construcción en Arequipa en el sector de vallecito que es identificado,. con el nombre de “Edificio Luz 200”, según la responsable del proyecto, Karina Málaga Sánchez, dijo que esta es la primera construcción en la ciudad que cuenta con paneles solares para los diversos usos5.. Figura 2: Edificio con Aprovechamiento Solar en Arequipa. Fuente: Estudio Feldman.. 5. Málaga Sánchez, K. (2014). Edificio con aprovechamiento solar en Arequipa, Estudio Feldman, Arequipa..

(16) 4 1.3.. Antecedentes de la Dirección de la Nervadura. Revisando las construcciones compuestas en la ciudad de Arequipa, se observó que en la mayoría de estructuras, la dirección de la nervadura de la placa colaborante son instaladas en un solo sentido, lo cual no es lo más correcto según nuestro análisis sobre la distribución ideal. En la tesis en opción al grado de ingeniería civil de la Ingeniera Silvana Faride Ojeda Simborth se plantea la utilización de losas colaborantes, pero revisando la forma de la distribución de las placas colaborantes metálicas, lo realiza en un solo sentido6. Las losas colaborantes ofrecen igual soporte de cargas para una estructura y las funciones que cumple la placa colaborante metálica de las losas colaborantes son las siguientes: -Actuar como plataforma segura de trabajo -Actuar como encofrado perdido durante el vaciado del concreto -Actuar como acero de refuerzo positivo -El sistema constructivo Acero Deck permite optimizar la obra generando ahorro de tiempo y dinero7. Las principales ventajas del sistema son7: -Eliminación de encofrados. 6 7. Ojeda Simborth, S. (2006). Diseño estructural de un edificio en acero con contraventeo lateral, Arequipa. (2018). Sistema Constructivo Acero-Deck Placa Colaborante, Aceros Procesados S.A Lima..

(17) 5 Permite una superficie permanente y segura para el vaciado de la losa, eliminando de esta manera los encofrados tradicionales -Limpieza en obra Es fácil manipular, se crea una plataforma segura y se realiza una distribución de corte de tal manera que no se obtenga una gran cantidad de desperdicios. -Acero de refuerzo para momentos positivos La placa de acero hace que la parte inferior de la losa colaborante trabaje a solicitaciones de flexión. -Hecho a medida Las placas pueden llevarse a la medida a obra de acuerdo a las solicitaciones del cliente. -Económico Ahorra un 60% del tiempo de ejecución de la obra, reduciendo el peso total de la construcción por el bajo peso que representa la losa terminada.. Figura 3: Sentido de las Nervaduras de las Losas Colaborantes. Fuente: Tesis Diseño Estructural de un edificio en acero con contraventeo lateral, Silvana Ojeda..

(18) 6. Figura 4: Montaje de Placas Colaborantes. Fuente: Empresa MCH, montaje industrial Chile.. 1.4.. Antecedentes de las Construcciones Compuestas El término “construcción compuesta” es aplicable tanto al caso de elementos estructurales. compuestos de acero y concreto reforzado, donde ambos elementos trabajan conjuntamente para resistir las cargas solicitadas por el uso de la estructura. 1.4.1. Principales ventajas de las construcciones compuestas8. -Optimización del material Al usar las losas colaborantes, se presenta un menor peso con respecto al tipo de losas convencionales, por lo tanto hay una reducción importante en el perfil de las columnas. -Rapidez en el montaje de la estructura.. 8. Á lvarez Valadez O. y Chazario Rosario, C., Construcción compuesta Acero-Concreto, Gerdau Corsa, México..

(19) 7 Se avanza rápido con el montaje de la estructura sin la necesidad de esperar el fraguado del concreto. -Menor costo de construcción. Esto es el resultado de la mayor rapidez de construcción, debido a que la construcción se realizará en menos tiempo de lo normal, por lo tanto, habrá una reducción de costos, ahora también como hablamos de pisos de menos peralte, habrá también reducción de entrepisos. 1.4.2. Desventajas de las construcciones compuestas8. -lograr que el concreto y el acero trabajen en conjunto requiere normalmente el uso de conectores especiales y trabajo adicional respecto al caso de la construcción convencional en acero o de concreto reforzado por separado. -Durante el proyecto, la resistencia despreciable a la tensión del concreto agrega un grado de complejidad a la hora de determinar la rigidez de los elementos estructurales, Además, el efecto de fenómenos como la fluencia lenta o creep y la retracción del concreto puede ser mayor que el caso de estructuras de concreto reforzado con varilla solamente. -Durante la construcción, es necesario combinar dos especialidades (construcción en concreto reforzado y construcción en acero) trabajando al mismo tiempo, lo que implica la preparación y ejecución de la obra. -la construcción compuesta implica dos materiales que conforman un elemento estructural o dos elementos de diferente naturaleza que están conectados de manera que trabajan conjuntamente y que se deforman como una unidad..

(20) 8. Figura 5: Losa Colaborante. Fuente: Diseño sismorresistente de construcción de acero. 1.5.. Identificación del Problema El consumo de energía eléctrica en nuestra construcción es alto debido al uso que se le. dará, para ello se requiere un sistema el cual ayude con la generación de energía para su autoabastecimiento y si es posible para vender a la red. Actualmente se tiene una baja aceptación por parte de las empresas en realizar construcciones compuestas, es decir edificaciones que tienen en su parte estructural al acero y concreto. El diseño de las construcciones actuales que componen elementos de acero y losas colaborantes, se evalúan bajo un mismo criterio el cual es mantener una misma configuración de la nervadura de las placas colaborantes..

(21) 9 Con respecto a las normas de diseño de estructuras, tenemos las NTP.020, NTP.030, NTP.090, en el cual, en varios ítems importantes para el diseño se encuentran formulas genéricas no tan precisas en cuanto a valores y explicación. En el sector de la construcción de estructuras de acero y concreto en el territorio nacional, existe una falta de planteamientos por parte de los estudiosos y las universidades sobre las edificaciones de consumo energético casi nulo, es por ello que nos vemos en la necesidad de abordar el tema de las construcciones que tengan como principal objetivo el autoabastecimiento de energía eléctrica utilizando la luz solar como fuente renovable, para el planteamiento de nuestra estructura se busca una forma geométrica apropiada, el cual tenga la posibilidad del aprovechamiento de la luz solar, para la generación de energía eléctrica y para la iluminación a través de los cristales del edificio. En las estructuras de acero, si se quiere construir con un acero especial, generalmente estos no se encuentran en stock en el mercado y se tiene que hacer algún tipo de pedido. 1.6.. Descripción del Problema Las investigaciones y conocimientos acerca de las construcciones de energía casi nula,. pueden ayudar a aprovechar las energías renovables como la radiación solar, el cual a través de paneles fotovoltaicos intervendría en la generación de energía eléctrica, por lo tanto, este cubriría un porcentaje del consumo de energía eléctrica de los edificios. Las construcciones compuestas recién están adquiriendo un cierto nivel de aceptación en el territorio peruano ello amerita a indagar nuevos diseños y propuestas para el uso de este tipo de construcciones compuestas e incrementar su inserción en el mercado..

(22) 10 Otro aspecto importante a tomar en cuenta, es la configuración de la nervadura de la losa colaborante, es importante analizar con criterio la dirección con la que serán instaladas las placas colaborantes, para ello se proponen casos de distintas configuraciones. Las normas de diseño del reglamento nacional de edificaciones, presentan informaciones no muy precisas para sus análisis, para ello también se consigue usar de manera supletoria la norma AISC Manual Steel construction LRFD, ANSI/AISC 360-10, para construcciones de acero. En la mayoría de las construcciones de acero, generalmente el acero utilizado es el ASTM A-36, debido a su disponibilidad en el mercado y sobre todo a su bajo costo en comparación con los otros. 1.7.. Propuesta de la Investigación Durante el desarrollo de la tesis, se tomará en cuenta los siguientes puntos: Las construcciones presentan bastante uso de energía eléctrica, es por ello que se plantea. el uso de paneles fotovoltaicos los cuales aportaran con el alimentado eléctrico de laptops y la iluminación de la parte interior del edificio. En la actualidad las construcciones que se vienen realizando no presentan una adecuada configuración de la nervadura de la placa colaborante en los sistemas compuestos (acero y losa colaborante), es por ello que se propone realizar una configuración en la instalación de vigas secundarias y placas colaborantes de tal manera que los elementos que componen nuestra estructura trabajen cerca de su esfuerzo admisible según el perfil seleccionado. Generalmente las construcciones tienen una forma geométrica el cual no ayuda con el aprovechamiento de la luz solar para la iluminación de sus habitaciones de forma natural, nuestra.

(23) 11 propuesta tendrá una geometría de tal manera que aproveche la luz solar para la iluminación de sus habitaciones de forma natural. 1.8.. Hipótesis Mediante el uso de las normas NTP 0.20, NTP 0.30, NTP 0.90, AISC 360-10, ANSI/AISC. 341-10, ANSI/AISC 358-10 y la nueva forma de instalación de vigas y placas colaborantes, se logra tener una construcción estructuralmente más eficaz y energéticamente más eficiente debido a su geometría. 1.8.1. Variables de la hipótesis. -Variable independiente La optimización del montaje en una estructura de acero, evaluando una nueva forma de distribución de vigas secundarias y el aprovechamiento de energía solar para el uso de oficinas. -Variable dependiente La seguridad de los ocupantes y reducción del consumo energético. 1.8.2. Alcances. Se logrará plantear la construcción de una estructura de energía casi nula, que estará ubicado en el distrito de cerro colorado. Aplicaremos una nueva distribución de los perfiles que soportan la losa colaborante (vigas secundarias), para ello haremos un análisis minucioso de las posibles formas de instalación de las vigas secundarias..

(24) 12 La tesis constara de 8 capítulos los cuales darán un detallado de todo el proyecto, donde los capítulos se describirán de la siguiente manera. El capítulo I rescata los avances que se dieron hasta fecha en las construcciones en acero estructural y es donde se analiza los antecedentes que tenemos en diseño, ahorro y eficiencia energética. El Capítulo II refleja la introducción, los alcances y el tipo de procedimiento que se realizará para llegar a los objetivos planteados durante la tesis. El Capítulo III está compuesto por las bases de cálculo que se requieren, como propiedades y detallado de los elementos a utilizar para el predimensionamiento y el cálculo. El Capítulo IV donde se realiza el predimensionamiento de los componentes de la estructura con los cuales será construido el edificio propuesto para la ciudad de Arequipa. El Capítulo V realiza el análisis estructural de la construcción con el programa ETABS los cuales corroborarán el dimensionamiento final de la construcción, donde se aplicarían las cargas de sismo. El Capítulo VI donde se realizará el diseño de los sistemas complementarios los cuales tendrán el objetivo de abastecer en cierto porcentaje al consumo energético de la construcción. El Capítulo VII realizará el costo de la estructura en su totalidad, hablamos de fabricación, montaje e instalación de sistema complementarios..

(25) 13 El Capítulo VIII detallará las conclusiones y recomendaciones de nuestra tesis de investigación, que está orientado a recurrir a las construcciones de acero, teniendo una visión de aprovechamiento energético. 1.9.. Objetivos 1.9.1. Objetivo principal. Optimización del montaje y cálculo de la resistencia de los elementos de una estructura de. acero en Arequipa. 1.9.2. Objetivo específico. Cumplir con los requerimientos de carga y uso de la construcción. Sustentar la nueva forma de configuración de las vigas secundarias. 1.10. Justificación. En nuestra localidad la totalidad de las construcciones no apuestan por el uso de energías renovables, es por ello que en la siguiente tesis se trata de incentivar que las construcciones tengan un considerable ahorro y eficiencia energética. En la mayoría de las construcciones que se están realizando en nuestro territorio peruano, se viene realizando una forma de configuración de las vigas secundarias en un solo sentido, y ello es una forma no muy económica, es por ello que durante la presente tesis se muestra la forma más adecuada, el cual tiene impacto en toda la estructura. Las construcciones de acero y concreto que actualmente están siendo construidos, no presentan una geometría la cual le ayude aprovechar energías renovables, como, por ejemplo, para tener un mayor aprovechamiento solar, se requiere tener una mayor área visible hacia la luz solar,.

(26) 14 en nuestra estructura la forma de U hace que tenga mayor área de entrada de la luz solar de tal manera que este tenga un ahorro significativo en iluminación. En la mayoría de las construcciones uno de los problemas importantes es el gasto energético que tienen a diario debido al uso de equipos, especialmente en las instalaciones en lo que concierne a oficinas, para ello se toma en cuenta la radiación aprovechable durante el día. Es por ello que se propone iniciar una investigación en el ámbito lo que denominamos “Construcciones de energía casi nula” Una de las alternativas es evaluar el uso de energías renovables para minimizar el costo energético que requieren las construcciones. Los problemas con la mayoría de las construcciones son simplemente analizados para resistir las cargas mas no son evaluadas si pueden también ser capaces de poder generar parte de su gasto energético. 1.11. Limitantes La filosofía que se tiene sobre las construcciones de energía casi nula, aún está en proceso de inserción en los territorios, es por ello que todavía este tendrá un porcentaje de alimentación de la red, debido a que el consumo total de las instalaciones no es nulo. No se llevará a cabo el cálculo de la estructura con la dirección de las vigas secundarias en un solo sentido, debido a que es suficiente con el sustento de distribución de carga que se presenta más adelante..

(27) 15 CAPITULO 2 2. Marco Teórico 2.1.. Fundamentación Legal Todos los cálculos recogen información de normas aprobadas que sustentan el cálculo. estructural que se realizara para el diseño de la estructura compuesta. NTP 0.20, Cargas9. De la siguiente norma se tomarán los siguientes puntos: Definiciones de carga muerta, carga viva Las cargas mínimas repartidas de acuerdo al uso que se le dará a la edificación, de acuerdo a TABLA 1 de la NTP.020. Se obtendrá los pesos unitarios de algunos materiales que serán usados en nuestro planteamiento estructural. NTP 0.30, Diseño sismoresistente aprobada 2018. Se tomará en cuenta los siguientes puntos10. La zonificación, tipo de suelo, parámetros de sitio, factor de amplificación sísmica.. 9. Norma Técnica Peruana NTP.020 Norma Técnica Peruana NTP.030. 10.

(28) 16 Categorías de las edificaciones, de donde se obtendrá los factores de uso de acuerdo al servicio que prestará nuestra edificación. NTP 0.90. Norma especialmente para el diseño de estructuras metálicas, en la cual tocaremos los siguientes puntos11. Se obtendrá las combinaciones de carga, la evaluación si se realizará un análisis resistente a cargas de viento o a cargas de sismo, las combinaciones de carga los encontramos en el ítem 1.4.1 de la norma. Analizaremos con la norma las relaciones ancho espesor de la columna, ubicados en la tabla 2.5.1. Diseño de columnas, longitud efectiva, límite de esbeltez, del apartado 5.1. Resistencia de diseño en compresión para pandeo por flexión, del apartado 5.2. Resistencia de diseño en compresión para el pandeo flexo-torsional, ubicado en el ítem 5.3 de la norma. Evaluación de vigas, diseño por corte, diseño por flexión, tomados como referencia el capítulo 6. AISC 360-10, Diseño de miembros a tracción, compresión, en flexión12. Tipos de perfiles de la sección A3.. 11 12. Norma Técnica Peruana NTP.090 (2010) Especificación ANSI/AISC 360-10 para Construcciones de Acero. Págs. 96-143..

(29) 17 Diseño de miembros en tracción, diseño de miembros en compresión, diseño de miembros en flexión, diseño de miembros en corte, diseño de miembros de sección compuesta, diseño de conexiones, fabricación y montaje, tomados de referencia de capitulo B-M ANSI/AISC 341-10, Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, Special Frames. Se tomará como referencia los siguientes puntos13. En la norma encontraremos los requerimientos para el diseño de nuestra estructura, debido a que será diseñado con resistencia a momentos en un eje, y el otro con pórticos arriostrados, en cada uno de ellos encontraremos los valores correspondientes a la deriva de piso. Encontraremos también las especificaciones para el diseño de pórticos con arriostramiento, el tipo de conexión y los tipos de arriostramiento, si son céntricos o excéntricos. ANSI/AISC 358-10, Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications14 Esta norma nos ayudara a elegir el tipo de conexión para nuestros pórticos resistentes a momento, existen 5 tipos de conexiones que se detallarán más adelante. 2.2.. El Acero Estructural15 2.2.1. Conceptos generales. La característica general de las estructuras de acero es la. resistencia a grandes deformaciones, antes de llegar al punto de rotura, propiedad conocida como. 13. (2010). Seismic Provisions for Structural Steel Buildings ANSI/AISC 341-10. (2010). Prequalified Connections, SMF, IMF, ANSI/AISC 358-10. 15 Costa Tapia, P. (2012). Tesis “Análisis, diseño y proyectos de recuperación estructural de edificio FERSO, Págs. 4. 14.

(30) 18 la ductilidad, permite que el acero se comporte favorablemente frente a los esfuerzos más variables que se presentan, el acero tiene una alta resistencia a la tracción. La ductilidad es una propiedad del acero, que permite diseñar estructuras capaces de incursionar en el rango inelástico, deformándose plásticamente mientras mantiene su resistencia. 2.2.2. Propiedades del acero estructural16. Alta resistencia. -La alta resistencia del acero por unidad de peso, este aspecto es de gran importancia para construcciones como edificios altos. Uniformidad. -Las propiedades del acero no cambian considerablemente con el tiempo, como es el caso de las estructuras de concreto reforzado. Elasticidad. -El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de diseño que la mayoría de los materiales, debido a que sigue la ley de Hooke hasta esfuerzos bastante altos, Los momentos de inercia de una estructura de acero se pueden calcular exactamente, en tanto que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos. Durabilidad. -Si se realiza el mantenimiento de las estructuras adecuadamente y en el tiempo correcto, estas durarán indefinidamente, ahora ello depende del tipo de corrosión al que está expuesto, para el caso de una corrosión alta, lo mínimo es considerar 1.5 mm de protección de pintura por cada 30 años de vida útil de la estructura. Ductilidad. -Es la propiedad que tiene un material para soportar grandes deformaciones sin fallar bajo esfuerzos de tensión altos.. 16. McCormac, Jack C. y Csernak, Stephen F. (2013). Diseño de estructuras de acero. 5a. Edición. Págs. 1-3..

(31) 19 Tenacidad. -El acero estructural es un material que puede absorber grandes cantidades de energía, a ello se le llama tenacidad. Ello también se demuestra cuando el acero se somete a grandes deformaciones durante su fabricación y montaje, sin llegar a fracturarse. 2.2.3. Desventajas del acero como material estructural17. Corrosión. -La mayoría de los aceros estructurales están expuestos al aire y al agua y ello hace que este entre en corrosión, por consiguiente, deben pintarse periódicamente. Costo de la protección contra el fuego. -Las construcciones en acero estructural deben de protegerse por seguridad con un sistema de rociadores, para evitar los incendios donde el mismo combustible es el propio inmueble. A todo ello el acero es un excelente conductor de calor, de manera que los miembros de acero sin protección pueden transmitir suficiente calor de un compartimiento incendiado a otro adyacente del mismo edificio e incendiar el material presente. Susceptibilidad al pandeo. -Mientras más largos y más esbeltos sean los miembros a compresión, tanto mayor es el peligro de pandeo. Fatiga. -La resistencia del acero se puede reducir si está sometido a un gran número de inversiones del sentido del esfuerzo, o bien a un gran número de cambios en el esfuerzo de tensión. Fractura frágil. -Bajo ciertas condiciones los aceros pueden perder su ductilidad y la fractura del acero puede ocurrir, y ello se agrava si está sometido a cargas que producen fatiga y si está expuesto a temperaturas muy bajas.. 17. McCormac, Jack C. y Csernak, Stephen F. (2013). Diseño de estructuras de acero. 5a. Edición. Págs. 3-9..

(32) 20 2.3.. Tipos de Estructuras de Acero18 Las estructuras de acero para edificios se clasifican de acuerdo con su tipo de construcción. en uno de los cuatro grupos: 2.3.1. Estructura apoyada en muros de carga. En este tipo de estructuras, los extremos de las vigas, viguetas o armaduras ligeras se apoyan sobre los muros, que a su vez transmiten la carga a los cimientos. 2.3.2. Construcción reticular. Están constituidas por vigas y columnas que tienen una configuración reticular a través de la cual se transmiten las cargas hacia los cimientos. 2.3.3. Estructuras combinadas de acero y concreto. En este punto se hace referencia al uso de columnas de acero embebidas y aseguradas con concreto reforzado. 2.3.4. Estructuras de acero de claros grandes. Cuando se requiere cubrir grandes claros, se recurre a las configuraciones como son: trabes armadas, vigas de caja, arcos, marcos rígidos, etc. 2.4.. Cargas Actuantes en las Estructuras19 La tarea del diseñador es determinar las cargas a la que estará expuesta una estructura. durante su vida útil, a la vez se debe considerar los sucesos más desfavorables de combinaciones de cargas que ocurrirán simultáneamente y que tendrá que soportar la estructura.. 18 19. McCormac, Jack C. y Csernak, Stephen F. (2013). Diseño de estructuras de acero. 5a. Edición. Págs. 642-646. McCormac, Jack C. y Csernak, Stephen F. (2013). Diseño de estructuras de acero. 5a. Edición. Págs. 45-51..

(33) 21 2.4.1. Cargas muertas. Son las cargas de magnitud constante y que permanecen fijas en un mismo lugar durante toda la vida útil de la estructura, esta carga generalmente está representada por el peso de la estructura, los pisos, la plomería y los accesorios, que son elementos indispensables para la estructura, en las tablas C3-1 y C3-2 de ASCE 7-10 encontramos información más detallada de las cargas muertas. 2.4.2. Cargas vivas. Son aquellas que pueden tener una variable ubicación y magnitud según la disposición del uso de la estructura, en la ASCE 7-10 encontramos la magnitud de algunas cargas vivas. 2.4.3. Cargas ambientales. Son aquellas cargas que se generan debido a las condiciones ambientales, los cuales son la lluvia, la nieve, el viento, los cambios de temperatura y el sismo. 2.4.3.1.. Cargas de nieve.. En varias regiones las cargas de nieve son bien. importantes, como en Puno, Cusco y las partes altas de nuestro país, donde es necesario la consideración a la hora de diseñar estructuras especialmente de grandes luces, el valor mínimo de la carga básica de nieve sobre el suelo en territorio peruano según la NTP. 020 es de 40 kg/m2 para una altura de 0.4m de nieve fresca. 2.4.3.2.. Cargas de lluvia. Este tipo de carga tiene más impacto en los techos. horizontales donde no se encuentra una buena pendiente, peor aún afecta considerablemente si los techos no tienen un sistema de drenaje adecuado, el cual daría lugar a un problema por encharcamiento y ello implicaría el aumento de cargas sobre el techo y por lo tanto se lograría un aumento en la flecha de las vigas de la estructura..

(34) 22 2.4.3.3.. Cargas de viento. Las cargas de viento varían con la ubicación geográfica,. las alturas sobre el nivel del terreno, estas cargas obedecen a la NTP. 020 donde se especifica la intensidad de la carga de viento para cada tipo de estructura. 2.4.3.4.. Carga sísmica. Muchas de las construcciones están situadas en territorios. sísmicos, lo cual da lugar a producción del movimiento sísmico el cual es transmitido a la estructura, esta carga varía de acuerdo a la ubicación geográfica, la intensidad del sismo y el tipo de estructura diseñada, generalmente afecta a las estructuras de mayor masa. 2.5.. Comportamiento Sísmico de las Estructuras de Acero20. El Perú se encuentra en una zona de alta actividad sísmica y volcánica, ello lo hace. vulnerable a las siguientes amenazas como: Los autoconstrucciones, suelos no adecuados y las invasiones El acero es el material más dúctil entre aquellos de uso estructural, sin embargo, es un error considerar que esta propiedad inherente al material se traslada automáticamente al sistema estructural, para asegurar el comportamiento dúctil de las estructuras, es necesario suministrar adecuada ductilidad no solo a nivel del material, sino también a nivel seccional y de los miembros que componen el sistema (columnas, vigas, riostras, conexiones). 2.5.1. Dañ os en las estructuras de acero. Los daños en las estructuras de acero pueden ser pandeo, deformación local y rotura de las conexiones atornilladas o soldadas.. 20. Gelacio Juarez, UAM. Comportamiento inelástico de los materiales. Págs. 101-102..

(35) 23 Los daños que se observan en una edificación en acero estructural también son a causa de fenómenos vibratorios. 2.5.2. Comportamiento inelástico. Los comportamientos del acero que nos interesa analizar son, elástico, plástico, en el caso del acero estamos hablando que al someterlo a cargas axiales este sufre un comportamiento plástico o inelástico. 2.6.. Losa Colaborante Acero-Deck21. La losa colaborante es una combinación de placa colaborante, losa de concreto, refuerzo. por temperatura, conectores de corte, etc.. Figura 6: Componentes de la Losa Colaborante. Fuente: Aceros procesados S.A.. 21. (2017). Departamento de ingeniería e investigación, placa colaborante Acero Deck, Aceros Procesados S.A..

(36) 24 2.6.1. Descripción de los componentes de la losa colaborante. 2.6.1.1.. Placas colaborantes. Son fabricadas a partir de bobinas de acero estructural. con protección galvánica pesada, el tratamiento de la superficie, la elaboración de los relieves mediante embuticiones a presión de las paredes laterales que proporcionan la adherencia entre el concreto y la placa colaborante.. Figura 7: Fabricación de Plancha Colaborante. Fuente: Aceros Procesados S.A. Actualmente se ha venido desarrollando un nuevo sistema constructivo, esta cumple 3 funciones importantes los cuales son: Actuar como plataforma segura de trabajo Actuar como encofrado perdido durante el vaciado del concreto Actuar como refuerzo positivo.

(37) 25 2.6.1.2.. Concreto de la losa. Los concretos usados para este tipo de trabajos solo. debera cumplir con los requerimienos que establece en la NTP. 060, generalmente el más usado para las estruturas es el concreto f’c=210 kg/cm2 2.6.1.3.. refuerzo por temperatura. El acero de refuerzo vendra especificado por el. ingeniero estructurista, el tipo de refuerzo mas comun para este tipo de sistemas se da para tomar los esfuerzos de flexion negativa en los apoyos.. Figura 8: Distribución del Acero de Refuerzo sobre las Placas Colaborantes. Fuente: Aceros Procesados S.A..

(38) 26 2.6.1.4.. concreto. El vaciado del concreto se podrá realizar mediante bombas, latas. o carretillas, antes de realizar el vaciado las planchas deben de ser limpiadas para lograr una mejor adherencia entre el concreto y la placa.. Figura 9: Vaciado de Concreto. Fuente: Aceros Procesados S.A. El curado del concreto se empieza cuando el concreto empieza a perder la humedad y se extiende durante los 7 días siguientes dependiendo del clima.. Figura 10: Curado del Concreto..

(39) 27 Fuente: Aceros Procesados S.A. 2.6.2. Tipos de placas colaborantes. 2.6.2.1.. Placa colaborante AD-900.. Tabla 1 Medidas de la Placa Colaborante AD-900. PLACA COLABORANTE AD-900 Tipo. AD-900. Peralte. 38.00 mm. Ancho total. 920 mm. Ancho útil. 900 mm. Calibre. Gage 22, Gage 20. Acabado. Galvanizado pesado. Longitud. A medida Fuente: Aceros Procesados S.A.. Figura 11: Dimensiones de la Losa Colaborante AD-900. Fuente: Aceros Procesados S.A..

(40) 28 2.6.2.2.. Placa colaborante AD-600. Tabla 2 Medidas de la Placa Colaborante AD-600. PLACA COLABORANTE AD-600 Tipo. AD-900. Peralte. 60.00 mm. Ancho total. 920 mm. Ancho útil. 900 mm. Calibre. Gage 22, Gage 20. Acabado. Galvanizado pesado. Longitud. A medida Fuente: Aceros Procesados S.A.. Figura 12: Dimensiones de la Losa Colaborante AD-600. Fuente: Aceros Procesados S.A..

(41) 29 2.6.2.3.. Placa colaborante AD-730. Tabla 3 Medidas de la Placa Colaborante AD-730. PLACA COLABORANTE AD-900 Tipo. AD-730. Peralte. 75.00 mm. Ancho total. 920 mm. Ancho útil. 900 mm. Calibre. Gage 22, Gage 20. Acabado. Galvanizado pesado. Longitud. A medida Fuente: Aceros Procesados S.A.. Figura 13: Dimensiones de la Losa Colaborante AD-730. Fuente: Aceros Procesados S.A..

(42) 30 2.7.. Conectores de Corte22 Los conectores de corte son fabricados en acero estructural A-36, la función principal es. unir vertical y permanentemente losa y viga, permitiendo que trabajen en forma conjunta, además contrarresta cargas de corte. 2.7.1. Dimensiones y propiedades. Tabla 4 Dimensiones de Conectores de Corte.. Fuente:PRECOR, Sistema de construcción en acero.. 2.7.2. Detalle de instalación.. Figura 14: Detalle de Instalaciones de Conectores de Corte. Fuente: PRECOR, Sistema de construcción en acero.. 22. (2016). Conectores de corte Nelson stud, Precor, Sistema de construcción en acero. Págs. 1..

(43) 31 2.7.3. Estructuras resistentes a momentos23. Son estructuras no arriostradas, para el efecto del diseño se deben considerar los siguientes componentes. Vigas Columnas Conexión viga – columnas Panel modal o (zona panel) Empalmes Base de columnas. Figura 15: Componentes Estructurales de un Pórtico no Arriostrado. Fuente: Diseño sismoresistente de construcción no arriostrado.. Las especificaciones ANSI/AISC 341-16, definen tres tipos de pórticos no arriostrados Pórticos no arriostrados especiales (SMF) Pórticos no arriostrados intermedios (IMF) Pórticos no arriostrados ordinarios (OMF). 23. Crisafulli Francisco J. (2018). Diseño sismoresistente de acero, 5ta Edición. Págs. 97-106..

(44) 32 La diferencia entre ellos es que se diseñan con distintos niveles de capacidad de rotación inelástica en las rótulas plásticas. Uno de los aspectos muy importantes a tomar en cuenta es la influencia de las conexiones viga-columna. El capítulo K del reglamento ANSI/AISC 314-16 presenta todos los requerimientos para el proceso de precalificación de conexiones. Adicionalmente El reglamento ANSI/AISC 358-16 presenta los detalles y procedimientos de diseño correspondiente a nueve conexiones precalificadas. 2.7.3.1.. Pórticos no arriostrados especiales. La resistencia requerida a carga axial. se diseña aplicando el criterio de la norma ANSI/AISC 341-16 Los esfuerzos en los paneles nodales se pueden determinar de dos formas:. Figura 16: Tensiones de Corte en un Nudo Viga-Columna Modelado Mediante Elementos Finitos Bidimensionales. Fuente: Diseño sismoresistente de construcción de acero..

(45) 33 Los esfuerzos también pueden determinarse realizando un diagrama de cuerpo libre en los nodos.. Figura 17: Esfuerzos en el Panel Nodal M y V Fuente: Diseño sismoresistente de construcciones acero.. Figura 18: Esfuerzos donde los Momentos han sido Reemplazados por Cuplas Equivalentes. Fuente: Diseño sismoresistente de construcción de acero..

(46) 34 En paneles nodales donde no se requiera el uso de placas de continuidad, pero si se requieren placas nodales de refuerzo, las mismas deben extenderse mínimo 150 mm por encima y por debajo de las vigas que llegan al nudo.. Figura 19: Placas Nodales de Refuerzo con Soldadura de Tapón. Fuente: Diseño sismoresistente de construcción de acero.. Figura 20: Placas Nodales de Refuerzo en el caso en que no es Necesario Colocar Placas de Continuidad. Fuente: Diseño sismoresistente de construcción de acero..

(47) 35 Las vigas y columnas de los pórticos especiales, deben verificar las condiciones establecidas para miembros de alta ductilidad, de modo que las secciones de los miembros deben cumplir con las relaciones anchura – espesor indicadas en la tabla D1.1 de la ANSI/AISC 341-16 Los extremos de la viga donde se espera la formación de rótulas plásticas, deben tratarse como zonas protegidas, la longitud de dichas zonas se define a partir de lo indicado en el reglamento ANSI/AISC 358-16 o según lo indicado en la precalificación de la conexión11. 2.8.. Diseñ o Estructural Resistentes a Momentos Se diseñan de acuerdo a la norma ANSI /AISC 341 En este caso de estructuras se debe aplicar el criterio de columna fuerte – viga débil Los sistemas experimentan incursiones inelásticas significativas a través de la cedencia por. flexión de las vigas (Rótulas plásticas) y una cedencia controlada en la zona del panel de la columna. Las conexiones de las vigas columnas deben ser precalificadas de acuerdo a la norma ANSI / AISC 358, los cuales definen la zona del panel y planchas de continuidad13. 2.8.1. Requerimientos de pórticos especiales resistente a momentos. 2.8.1.1.. Relación de momentos criterio viga débil - columna fuerte. Para cumplir. este criterio se debe verificar cada uno de los nudos con la siguiente relación de momentos. ∑ 𝑀𝑝𝑐 > 1.0 ∑ 𝑀𝑝𝑏 ∑ 𝑀𝑝𝑐 : Sumatoria de momentos probables en columna..

(48) 36 ∑ 𝑀𝑝𝑏 : Sumatoria de momentos probables en viga11 2.9.. Conexiones Precalificadas a Momento.24 En 1994 ocurre un sismo en Northridge-California, destacando numerosas fallas. inesperadas en las conexiones a momentos, es ahí donde se presenciaron fracturas frágiles en un gran número de pórticos de acero soldados resistentes a momentos, en todo tipo de edificaciones. Donde una de las fallas más comunes fue detectada en la conexión soldada entre el ala inferior de la viga y el ala de la columna.. Figura 21: Fallas en la Conexión Columna-Viga. Fuente: Estudios de pórticos especiales resistentes a momento.. 2.9.1. Conexión de plancha extrema extendida empernada rigidizada y no rigidizada. En este tipo de conexiones la viga es soldada a una plancha en su extremo, y dicha plancha se une por medio de pernos al ala de la columna, adicionalmente se le puede incluir un rigidizador entre el ala de la viga y la plancha extrema, este rigidizador ayuda a controlar la.

(49) 37 cedencia a flexión de la plancha extrema, cedencia de la zona del panel, minimizar efectos de apalancamiento, ruptura a tensión y corte de los pernos, ruptura de las uniones soldadas, etc.. Figura 22: Conexión de Plancha Extrema Extendida Empernada Rigidizada y no Rigidizada. Fuente: Estudio de pórticos especiales resistentes a momento. 2.9.2. conexión de viga reducida (RBS). En este tipo de conexiones se seccionan las alas de la viga en la región adyacente a la conexión viga-columna de una forma curva establecida de acuerdo a los parámetros establecidos, con el objetivo que se produzca la formación de rotulas plásticas en dicho lugar, pero a la vez se debe tener en cuenta que la sección reducida no falle por corte o flexión de acuerdo a las combinaciones de carga que afectan a dicha viga.. Figura 23: Conexión de Viga Reducida (RBS) Fuente: Estudio de pórticos especiales resistentes a momento..

(50) 38 2.9.3. Conexión de ala reforzada no soldada-alma soldada. Esta conexión se realiza a través de soldaduras de penetración entre las alas de la viga y la columna, y el alma de la viga y el ala de la columna, por otra parte, estas conexiones se disponen de una plancha que va soldada al ala de la columna y al alma de la viga.. Figura 24: Conexión de Ala Soldada no Reforzada-Alma Soldada. Fuente: Estudio de pórticos especiales resistentes a momento. 2.9.4. Conexión de plancha de ala empernada. Esta conexión utiliza planchas soldadas al ala de la columna y empernada al ala de la viga, mediante soldadura de ranura de penetración completa y los pernos de unión son de alta resistencia, a la vez se tiene una plancha soldada al ala de la columna y que va empernada al alma de la viga.. Figura 25: Conexión de Plancha de Ala Empernada. Fuente: Estudio de pórticos especiales resistentes a momentos..

(51) 39 2.9.5. Conexión empernada soportada tipo bracket. Esta conexión utiliza un soporte tipo bracket en forma de L, la cual se une al ala de la viga superior e inferior soldado y empernado y al ala de la columna mediante perno de alta resistencia14.. Figura 26: Conexión Empernada Soportada Tipo Bracket. Fuente: Estudio de pórticos especiales resistentes a momento. Conclusión: Los cinco tipos de conexiones cumplen una sola finalidad que es: garantizar que la rótula plástica se desarrolle en la viga y que no se produzca la falla en la conexión viga-columna..

(52) 40 CAPITULO 3 3. Bases de Cálculo. 3.1.. Elección de la Losa Colaborante Las losas para las construcciones están compuestas en la gran mayoría por losas de. concreto y ladrillo, de una altura aproximada de 20 cm, en el caso de un distinto tipo de losas, tenemos las losas colaborantes, los cuales están compuestos por una chapa metálica, una malla de acero de construcción y concreto. Tenemos las siguientes losas colaborantes en el mercado. Tabla 5 Tipos de Perfiles para Placas Colaborantes, Acero Deck. Placa colaborante AD-900. Placa colaborante AD-600. Placa colaborante AD-730. AD-900. Tipo. AD-900. Tipo. AD-900. 38.00 mm. Peralte. 38.00 mm. Peralte. 38.00 mm. Ancho total. 920 mm. Ancho total. 920 mm. Ancho total. 920 mm. Ancho util. 900 mm. Ancho util. 900 mm. Ancho util. 900 mm. Calibre. Gage 22, Gage 20. Calibre. Gage 22, Gage 20. Calibre. Gage 22, Gage 20. Acabado. Galv. Pesado. Acabado. Galv. Pesado. Acabado. Galv. Pesado. Longitud. A medida. Longitud. A medida. Longitud. A medida. Tipo Peralte. Fuente: Aceros Procesados..

(53) 41 La elección de las losas colaborantes se realiza de acuerdo a los siguientes factores. . Sobrecarga que se aplicara a la losa colaborante. . La separación entre vigas secundarias. . Cantidad de concreto por metro cuadrado. Entonces las condiciones son la siguiente. . Tenemos una carga de 430.7 kg/m2 que resistirá la losa, según el predimensionamiento.. . El instalado no debe contemplar apuntalamiento. . Distancia entre separación de vigas de 2m, según la recomendación del libro “Diseño sismorresistente de construcciones de acero”. . Exigen que se debe tomar la altura mínima para tener una máxima altura de entrepiso.. Entonces tenemos las siguientes opciones. . Primer punto. AD-900, tiene una altura mínima de losa de 9 cm AD-600, tiene una altura mínima de losa de 11 cm AD-730, tiene una altura mínima de losa de 14 cm.

(54) 42 Se concluye que se descartara el uso de un AD-730, y se decidirá entre usar un AD-600 o un AD-900, debido a su menor altura el cual nos proporcionara una distancia de entrepiso mayor. . Segundo punto. La altura de los conectores de corte define también la altura de la losa colaborante. En nuestro caso estamos usando un conector de corte que nos da una altura de 11.01 cm según la figura.. Figura 27: Conectores de Corte Usado para el Diseño. Fuente: Conectores de corte Nelson Stud. Los conectores deben tener una altura no menor de 40 mm encima de la parte superior de la placa colaborante, según la norma E.090 RNE 2006. Entonces entre las dos posibles opciones de elección tenemos: En AD-900, tenemos alturas que varían de 9cm – 14 cm.

(55) 43 En AD-600, tenemos alturas que varían de 11 cm – 16 cm Entonces para nuestro diseño se elegirá una losa con una altura de 12 cm . Tercer punto. Por la cantidad de concreto usado Para una altura de losa de 12 cm tenemos lo siguiente.. . Figura 28: Volumen de Concreto para cada Tipo de Perfil de Losas Colaborantes. Fuente: Aceros Procesados S.A. En AD-900, se usará la cantidad de 0.097 m3/m2 de concreto con un f’c=210 kg/cm2 En AD-600, se usará la cantidad de 0.085 m3/m2 de concreto con un f’c=210 kg/cm2 Por lo tanto, se elegirá donde menor sea el uso del concreto que es un AD-600 En conclusión Elegiremos una losa colaborante AD-600, de una altura de 12 cm, el cual usara un concreto 210 kg/cm2 y que tiene una Sobrecarga admisible de 2000 kg/m2.

(56) 44. Figura 29: Elementos que Componen una Losa Colaborante. Fuente: Registro técnico de materiales. La losa colaborante es una combinación del acero con el hormigón, que actuando en conjunto superan las prestaciones de las partes por separado, se le suele conocer también con el nombre de encofrado colaborante. La losa colaborante está constituido en la parte inferior por una placa plegada de acero estructural con protección galvánica G-90, que son capaces de soportar el hormigón vertido y la armadura metálica. La losa colaborante trabaja apoyada sobre un envigado de cualquier tipo de perfil que por recomendación el espacio entre viga a viga está en un rango de 2m – 3 m. La parte superior de hormigón trabaja a compresión, la chapa inferior actúa como encofrado que al final termina siendo parte del conjunto losa colaborante y esta trabajará a tracción en la parte inferior de la losa, ahora en la parte superior se complementa con una malla de acero que permite repartir las cargas y absorber los esfuerzos de retracción. Retracciones. -Es el acortamiento que experimenta el concreto durante el proceso de endurecimiento y secado..

(57) 45 Esfuerzo de retracción. -En la vida normal del concreto, el concreto no se escapa a la contracción, sin embargo, la contracción del concreto en si no es un problema, el problema ocurre cuando esté unido a muros, paredes y columnas, ahí es donde se debe de considerar los posibles efectos sobre ellos. Cuando ocurre este fenómeno el concreto en si pasa por esfuerzos de tracción, ahora si estos esfuerzos son superiores a su resistencia a la tracción, entonces aparecen grietas en el concreto. El concreto solo acepta alargamientos limitados, sabemos que el concreto se agrieta si se alarga 0.08mm por metro, la retracción puede encoger al concreto 0.4mm por metro. -Retracción por secado Esta es una de las principales causas de fisuración en las estructuras de concreto, este se da por el encogimiento que sufre el concreto por la pérdida de agua. -Retracción plástica Se forma en las superficies de concreto inmediatamente después de su vaciado, generalmente aparecen en las superficies horizontales. -Retracción química o autógena Empieza cuando el cemento entra en contacto con el agua. Pastas puras de cemento y agua tienen un encogimiento de 1% en las primeras 24 horas. Definiendo la losa colaborante que se usará para nuestro cálculo..

(58) 46. Figura 30: Dimensiones para el Diseño de Losa Colaborante. Fuente: Programa de Diseño ETABS. Tabla 6 Propiedades y Dimensiones de la Losa Colaborante. Property Name. Nombre del Material. Valor. Tipo. Losa colaborante. Slab Material. Material de concreto sobre la placa. 210 kg/cm2. Deck Material. Material de la placa metálica. ASTM A653. Slab Depth (tc). Espesor del concreto. 6 cm. Rib Depth (hr). Altura de la losa colaborante. 6 cm. Rib Width Top (wrt). Ancho de la parte superior del nervio. 12.93 cm. Rib Width Botton (wrb). Ancho de la parte inferior del nervio. 6 cm. Separación de canal a canal. 22.93 cm. Espesor de la loseta calibre 22. 0.09 cm. Peso por metro de la placa. 10.93 cm. Diámetro de los conectores de corte. 1.59 cm. Altura del conector de corte. 11.01 cm. Resistencia a corte de conector. 4485.58 kg/cm2. Type. Rib Spacing Deck Shear Thickness Deck Unit Weight Shear Stub Diameter Shear Stub Height (hs) Shear Stub Tensiles Strength (Fu). Fuente: Elaboración propia..

(59) 47 Los concretos se clasifican según su resistencia de compresión a los 28 días. Para la colocación de las losas se debe tener en cuenta que las correas deben estar perpendiculares a los nervios del sofito metálico. La resistencia a la tracción del perno de cizallamiento según el catálogo de pernos fijadores de losas colaborantes tenemos la marca NELSON STUB, el cual tiene una resistencia a la tracción de:. 4079.6. 3.2.. 𝑘𝑔𝑓 𝑐𝑚2. Formas de Distribución de las Vigas Secundaria 3.2.1. Tipos de vigas. Por concepto sabemos que existen dos tipos de vigas 3.2.1.1.. Vigas de amarre (Va). Prestan el servicio de entrelazar las columnas y. evitar que estos sufran un mayor desplazamiento. 3.2.1.2.. Vigas de carga (Vc). Son precisamente de carga porque están apoyándose. sobre ella las correas de los entrepisos y eso es lo que hace que estas vigas sean llamadas de carga. Criterios para la decisión de vigas 1). La distribución de carga sobre las vigas principales, debido a que la carga es un factor que determina el tamaño de la viga en el diseño..

(60) 48 Ejemplo.. Figura 31: Distribución de Carga en Vigas de Amarre y Vigas de Carga. Fuente: Elaboración propia. Según el grafico se tiene que la carga Qa < Qc, y ello se demuestra con la repartición del área tributaria correspondiente para cada viga. 2). La luz que presenta la viga Los diseños también dependen de la luz de la viga es decir, como en nuestro diseño la longitud de las vigas tienes una igual longitud horizontal o luz, por lo tanto como este es un factor predominante que se toma en cuenta en el diseño, el programa de diseño tomara dos perfiles iguales es decir, el perfil de la viga de amarre será igual al perfil de carga independientemente de la carga, lo que indicaría lo siguiente..

(61) 49. Figura 32: Importancia de la Luz en un Diseño. Fuente: Elaboración propia. Entonces que se concluye, claro que se puede construir de la siguiente manera pero no estaríamos realizando una construcción óptima, debido a que tenemos vigas que están sobredimensionadas. Entonces se concluye de ambos casos lo siguiente para un diseño óptimo..

(62) 50. Figura 33: Vista de Planta de la Primera Posible Distribución. Fuente: Elaboración propia. 3.2.2. EVALUACION DE DISTRIBUCIONES. Cuando se diseña una viga hay dos factores que predominan 1.-La carga 2.-Proyeccion horizontal entre apoyos de la viga (La luz) La viga también tendrá problemas de flexibilidad no importa cuál sea la carga, la luz también afecta. Analizaremos las distintas configuraciones de la nervadura de las placas colaborantes:.