UNIVERSIDAD ANDINA
“NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ”
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL“ANÁLISIS Y DISEÑO SÍSMICO DE UNA
EDIFICACIÓN DE SEIS NIVELES DE CONCRETO
ARMADO EN LA CIUDAD DE JULIACA”
TESIS
Presentado por:
RITSHAR TONY CHAIÑA MAMANI
Para Optar el Título Profesional de:
INGENIERO CIVIL
Juliaca - Perú
DEDICATORIA
A DIOS por todo lo que somos y seremos.
A mis padres Silverio y Benita, por ser mi fortaleza y brindarme
su espíritu de entrega y sacrificio permanente por ver el sueño
de su hijo realizado.
A mi hermanita Fanny por su alegría, compresión y su apoyo
incondicional en la obtención de esta anhelada profesión.
A mis abuelos, primos, tíos y toda mi familia.
A los docentes de la Escuela Profesional de Ingeniería Civil por
compartir sus enseñanzas, conocimientos y experiencia durante
nuestra formación académica; a mis amigos por los momentos que
hemos compartido en esta etapa de mi vida.
Ritshar Tony Chaiña Mamani.
Todas las cosas deben hacerse tan sencillas como sea posible,
pero no más sencillas de lo que son.
RESUMEN
A medida que el crecimiento poblacional en la ciudad de Juliaca va en aumento
surge la necesidad de crear infraestructura adecuada y una de las mayores
problemáticas que se ha presentado en el área de la ingeniería estructural en
nuestro medio se debe a la falta de utilización de criterios estructurales en la
construcción de viviendas por ser en su mayoría construcciones informales lo
cual conlleva a un aumento de la vulnerabilidad de las estructuras frente a los
eventos sísmicos ya que nuestro país está ubicado en el cinturón de fuego del
Pacifico, específicamente contiguo al encuentro entre la placa de Nazca, sub
placa del Pacifico y la placa sudamericana donde se tiene lugar el 80% de la
actividad sísmica y volcánica del planeta. Es por ello que el presente trabajo de
investigación está orientado a estudiar el comportamiento estructural de las
edificaciones en nuestro medio bajo diferentes condiciones de análisis,
teniendo como objetivo fundamental en este estudio realizar un análisis sísmico
estático y dinámico comparativo de una edificación de concreto armado de seis
niveles aplicándose las normativas peruanas de diseño sismorresistente E.030
(2006) y E.030 (2016) como también realizar los diseños de sus elementos
estructurales en base a los esfuerzos más críticos presentados en cada
elemento esto con el fin de lograr la mejor respuesta dinámica de la estructura
frente a las solicitaciones sísmicas que se le pueda presentar en su vida útil;
Los análisis de los modelos estructurales se realizaran a partir del
planteamiento arquitectónico del edificio multifamiliar en estudio y con la ayuda
estructura, distorsión de la estructura, desplazamientos máximos,
aceleraciones absolutas y cortante basal.
La metodología de trabajo planteada para el desarrollo de esta tesis está
constituida de la siguiente forma; El trabajo se desarrolló en cuatro capítulos e
incluye previamente un resumen, dedicatoria e índice; El primer capítulo trata
del planteamiento metodológico, es decir, el problema, objetivos y la
metodología de investigación empleada. En el segundo capítulo se describe el
marco teórico conceptual, en la que se definirán todos conceptos métodos y
teorías de análisis y diseño sísmico estructural que fueron necesarios para la
realización del presente trabajo de investigación. En el tercer capítulo se
desarrolló el análisis y diseño estructural; La primera parte abarca la
estructuración del edificio y predimensionamiento de sus elementos
estructurales, la segunda parte comprende el metrado de cargas utilizando
para ello lo establecido en la norma peruana E.020, en la tercera parte se
realizó el análisis sísmico estático y dinámico comparativo del edificio utilizando
un modelo tridimensional en el programa estructural Sap2000 v.14, teniendo en
cuenta lo establecido en las normas peruanas de diseño sismorresistente
E.030 (2006) y E.030 (2016) y finalmente en la cuarta parte se presentan los
diseños de los elementos estructurales siguiendo los requerimientos de la
norma peruana E.060 de concreto armado. En el cuarto capítulo se realizó la
interpretación de los resultados obtenidos en el cual se muestra que las derivas
en los ejes X y Y tanto del análisis estático y dinámico según la E.030 (2006) y
E.030 (2016) están dentro del rango permisible indicado en la norma excepto
derivas máximas indicadas en la norma. Y finalmente como última parte se
presentan las conclusiones finales del análisis sísmico comparativo y del
diseño estructural y se precisan algunas recomendaciones para el análisis y
diseño estructural como también se presentan la Bibliografía y Anexos.
Palabras claves: Análisis Sísmico Estático, Análisis Sísmico Dinámico, Diseño
ABSTRACT
As the population growth in the city of Juliaca keeps increasing, the need to
create adequate infrastructure comes up and one of the biggest problems that
has shown up in the area of the structural engineering in our medium is due to
the lack of utilization of structural criteria in the residential construction, because
most of them are informal construction which bear an increase of the
vulnerability of the structure in front of the seismic events since our country is
located in the Pacific Fire Belt, specifically next to the encounter between the
plate of Nazca, Pacific sub plate and the South America plate where the 80% of
the seismic and volcanic activity of the planet takes place. It is for it than the
present research work is oriented to study the structural behavior of the
buildings in our medium under different conditions of analysis, having like
fundamental target in this study to accomplish a seismic static and dynamic
comparative analysis of a building of concrete layout of six levels being
applicable the Peruvian ground rules of seism resistant design E.030 (2006)
and E.030 (2016) so then to execute the designs of its structural elements
based on the most critical efforts presented in each element, hall of this with the
aim of achieving the best dynamic response of the structure in front of the
seismic solicitation than could appear in its useful life; The analyses of the
structural models come true from the architectonic proposal of the multifamily
building under consideration and with the help of the structural program
Sap2000 v.14, the vibration of the structure, distortion of the structure,
maximum displacements, absolute acceleration and cutting basal will be
The developmental methodology of work put forward of this thesis is constituted
of the following way; The work developed in fourth chapters and includes a
summary, dedication and index previously; The first chapter processes of the
methodological proposal, that is, the problem, objectives and the methodology
of employed investigation. In the second chapter he describes the theoretic
conceptual frame, in which all concepts methods and theories of analysis and
seismic structural design that were will define themselves necessary for the
realization of the present research work. In the third chapter developed the
analysis and structural design; The first part comprises the structuring of the
building and pre-sizing of its structural elements, the second part comprises the
measurement of loads using for it what’s established in the Peruvian standard
E.020, in the third part came true the seismic static and dynamic comparative
analysis of the building using a three-dimensional model in the structural
program Sap2000 v.14, taking into account what’s established in the Peruvian
standards of seism resistant design E.030 (2006) and E.030 (2016) and finally
in the fourth part the designs of the structural elements following the requests of
the Peruvian standard show up E.060 of concrete layout. In the fourth chapter
the interpretation of the results obtained in the one that he shows up in came
true that the drifts in the axes X and Y as much of the static and dynamic
analysis after the fashion of the E.030 (2006) and E.030 (2016) are within the
permissible status indicated in the standard except the drifts of the static
analysis with the E.030 (2016) which surpassed the maximum drifts indicated in
the standard. And finally as last part presents the final conclusions of the
recommendations for the analysis and structural design as also the biography
and annexes are presented.
Keywords: Seismic Static Analysis, Seismic Dynamic Analysis, Structural
INDICE
DEDICATORIA
RESUMEN
ABSTRACT
ÍNDICE
CAPITULO I: GENERALIDADES.
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ... 1
1.1.1. ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN PROBLEMÁTICA. ... 1
1.1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN. ... 2
1.1.2.1. INTERROGANTE GENERAL. ... 2
1.1.2.2. INTERROGANTES ESPECÍFICAS. ... 2
1.1.3. JUSTIFICACIÓN Y LIMITACIÓN DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN. 3 1.1.3.1. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. ... 3
1.1.3.2. LIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. ... 3
1.2. FORMULACIÓN DE LOS OBJETIVOS. ... 3
1.2.1. OBJETIVO GENERAL. ... 3
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ... 3
1.3. HIPÓTESIS Y VARIABLES. ... 4
1.3.1. HIPÓTESIS DE TRABAJO. ... 4
1.3.1.1. HIPÓTESIS GENERAL. ... 4
1.3.1.2. HIPÓTESIS ESPECÍFICAS. ... 4
1.3.2. VARIABLES E INDICADORES. ... 5
1.3.2.1. VARIABLE INDEPENDIENTE: ... 5
1.3.2.2. VARIABLE DEPENDIENTE: ... 5
1.4. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN. ... 5
1.4.1. POBLACIÓN. ... 5
1.4.2. MUESTRA. ... 5
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL. 2.1. INTRODUCCIÓN. ... 7
2.2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA ZONA. ... 8
2.2.1. ASPECTOS GEOGRÁFICOS: ... 8
2.2.2. EXTENSIÓN SUPERFICIAL Y POBLACIÓN GENERAL. ... 9
2.2.2.1. EXTENSIÓN SUPERFICIAL. ... 9
2.2.2.3. TASA DE CRECIMIENTO POBLACIONAL DE LAS PRINCIPALES
CIUDADES DEL PAÍS. ... 10
2.2.2.4. EVOLUCIÓN POBLACIONAL DEL DISTRITO DE JULIACA. ... 12
2.2.3. TOPOGRAFÍA. ... 12
2.3. ASPECTOS SISMOLÓGICOS. ... 13
2.3.1. TECTÓNICA DE PLACAS. ... 13
2.3.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS SISMOS. ... 17
2.3.3. PELIGRO SÍSMICO EN EL DEPARTAMENTO DE PUNO. ... 20
2.4. ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO. ... 21
2.4.1. ESTRUCTURACIÓN. ... 21
2.4.1.1. OBJETIVO. ... 21
2.4.1.2. CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN. ... 22
2.4.1.3. ELEMENTOS ESTRUCTURALES. ... 26
2.4.2. PREDIMENSIONAMIENTO. ... 28
2.4.2.1. PREDIMENSIONAMIENTO DE LOSA ALIGERADA. ... 28
2.4.2.2. PREDIMENSIONAMIENTO DE VIGA. ... 29
2.4.2.3. PREDIMENSIONAMIENTO DE COLUMNAS. ... 29
2.4.2.4. PREDIMENSIONAMIENTO DE PLACAS. ... 31
2.5. METRADO DE CARGAS. ... 31
2.5.1. CARGAS ESTÁTICAS. ... 32
2.5.1.1. CARGAS PERMANENTES O MUERTAS. ... 32
2.5.1.2. CARGAS VIVAS O SOBRECARGA. ... 33
2.5.2. CARGAS DINÁMICAS... 33
2.5.2.1. CARGAS DE SISMO. ... 33
2.6. ANÁLISIS SÍSMICO. ... 34
2.6.1. NORMA DE DISEÑO SISMORRESISTENTE E.030 (2006). ... 34
2.6.1.1. FILOSOFÍA Y PRINCIPIOS DE DISEÑO SISMORRESISTENTE. ... 34
2.6.1.2. PARÁMETROS DE SITIO. ... 35
2.6.1.2.1. FACTOR ZONA (Z). ... 35
2.6.1.2.2. FACTOR DE AMPLIFICACIÓN DEL SUELO (S). ... 37
2.6.1.2.3. FACTOR DE AMPLIFICACIÓN SÍSMICA (C). ... 37
2.6.1.3. PARÁMETROS ESTRUCTURALES. ... 38
2.6.1.3.1. FACTOR USO (U). ... 39
2.6.1.3.2. CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL. ... 39
2.6.1.3.3. COEFICIENTE DE REDUCCIÓN SÍSMICA (R). ... 43
2.6.1.5. ANÁLISIS DE EDIFICIOS. ... 45
2.6.1.5.1. PESO DE LA EDIFICACIÓN (P). ... 45
2.6.1.5.2. ANÁLISIS ESTÁTICO. ... 46
2.6.1.5.3. ANÁLISIS DINÁMICO. ... 49
2.6.2. NORMA DE DISEÑO SISMORRESISTENTE E.030 (2016). ... 52
2.6.2.1. FILOSOFÍA Y PRINCIPIOS DE DISEÑO SISMORRESISTENTE. ... 52
2.6.2.2. CONSIDERACIONES GENERALES DE LA NORMA. ... 52
2.6.2.2. FACTOR ZONA (Z). ... 53
2.6.2.3. PARÁMETROS DEL SITIO (S, TP Y TL). ... 54
2.6.2.4. FACTOR DE AMPLIFICACIÓN SÍSMICA (C). ... 55
2.6.2.5. CATEGORÍA DE LAS EDIFICACIONES (U). ... 55
2.6.2.6. SISTEMAS ESTRUCTURALES Y COEFICIENTE BÁSICO DE REDUCCIÓN DE FUERZA SÍSMICA (Ro). ... 56
2.6.2.7. PESO DE LA EDIFICACIÓN (P). ... 58
2.6.2.8. ANÁLISIS ESTÁTICO O FUERZAS EQUIVALENTES. ... 59
2.6.2.8.1. GENERALIDADES. ... 59
2.6.2.8.2. FUERZA CORTANTE EN LA BASE. ... 59
2.6.2.8.3. DISTRIBUCIÓN DE LA FUERZA SÍSMICA EN ALTURA. ... 60
2.6.2.8.4. PERIODO FUNDAMENTAL (T). ... 60
2.6.2.8.5. EXCENTRICIDAD ACCIDENTAL. ... 61
2.6.2.9. ANÁLISIS DINÁMICO. ... 62
2.6.2.9.1. ANÁLISIS DINÁMICO MODAL ESPECTRAL. ... 62
2.6.2.10. DESPLAZAMIENTOS LATERALES. ... 65
2.7. DISEÑO ESTRUCTURAL. ... 66
2.7.1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL CONCRETO ARMADO FRENTE A OTROS MATERIALES. ... 66
2.7.1.1. VENTAJAS DEL CONCRETO ARMADO FRENTE A OTROS MATERIALES. ... 66
2.7.1.2. DESVENTAJAS DEL CONCRETO ARMADO FRENTE A OTROS MATERIALES. ... 67
2.7.2. CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO. ... 68
2.7.2.1. NORMAS EMPLEADAS. ... 68
2.7.2.2. MÉTODO DE DISEÑO. ... 68
2.7.2.3. MATERIALES EMPLEADOS. ... 70
2.7.2.3.1. CONCRETO. ... 70
2.7.2.3.2. ACERO DE REFUERZO. ... 71
2.7.3.1. ACERO DE REFUERZO POR TENSIÓN. ... 74
2.7.3.2. ACERO DE REFUERZO POR CONTRACCIÓN Y TEMPERATURA. .... 74
2.7.3.3. ESPACIAMIENTO DE LA ARMADURA PRINCIPAL ... 75
2.7.3.4. DETALLE DE ARMADURAS PRINCIPALES EN LOSAS. ... 75
2.7.4. DISEÑO DE VIGAS. ... 75
2.7.4.1. DISEÑO POR FLEXIÓN. ... 75
2.7.4.1.1. ÁREA DE ACERO. ... 77
2.7.4.1.2. LÍMITES DE CUANTÍAS. ... 77
2.7.4.1.3. DETALLE DE EMPALMES DE REFUERZO POR TRASLAPE. ... 78
2.7.4.2. DISEÑO POR CORTE. ... 80
2.7.5. DISEÑO DE COLUMNAS. ... 82
2.7.5.1. CLASIFICACIÓN DE COLUMNAS. ... 82
2.7.5.2. FALLAS EN COLUMNAS... 82
2.7.5.3. CUANTÍAS MÁXIMAS Y MÍNIMAS SEGÚN EL R.N.E. ... 82
2.7.5.4. COMPRESIÓN AXIAL. ... 82
2.7.5.5. FLEXO-COMPRESIÓN. ... 83
2.7.5.6. ESPACIAMIENTO EN ESTRIBOS. ... 83
2.7.6. DISEÑO DE MUROS DE CORTE (PLACAS). ... 84
2.7.6.1. DISEÑO POR COMPRESIÓN. ... 84
2.7.6.1.1. MÉTODO EMPÍRICO. ... 84
2.7.6.2. DISEÑO POR FLEXIÓN. ... 85
2.7.6.3. DISEÑO POR CORTE. ... 85
2.7.6.3.1. REFUERZO HORIZONTAL Y VERTICAL. ... 86
2.7.7. DISEÑO DE ZAPATAS AISLADAS. ... 88
2.8. MARCO CONCEPTUAL. ... 94
CAPITULO III: ANÁLISIS Y DISEÑO. 3.1. INTRODUCCIÓN. ... 97
3.2. PLANTEAMIENTO ARQUITECTÓNICO. ... 97
3.3. PROPUESTA N°01(SISTEMA APORTICADO). ... 101
3.3.1. ESTRUCTURACIÓN. ... 101
3.3.1.1. PARA CARGAS DE GRAVEDAD. ... 102
3.3.1.2. PARA CARGAS DE SISMO. ... 102
3.3.2. PREDIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES. ... 102
3.3.2.1. PREDIMENSIONAMIENTO DE LOSA ALIGERADA. ... 102
3.3.2.2.1. Determinación del peso de las vigas por nivel. ... 104
3.3.2.2.2. Determinación del peso de las columnas por nivel. ... 105
3.3.2.2.3. Determinación del peso total por nivel. ... 105
3.3.2.2.4. Determinación de la sección de las columnas. ... 106
3.3.2.3. PREDIMENSIONAMIENTO DE VIGAS. ... 106
3.3.2.3.1. Sección de las vigas del 1ro, 2do,3ro, 4to y 5to Nivel. ... 106
3.3.2.3.1. Sección de las vigas del 6to Nivel (azotea). ... 107
3.3.2.4. Cuadro resumen del predimensionamiento de los elementos estructurales. 108 3.3.3. METRADO DE CARGAS POR SISMO. ... 109
3.3.3.1. CARGA MUERTA (CM). ... 109
3.3.3.2. CARGA VIVA O SOBRECARGA (CV). ... 111
3.3.3.3. CUADRO RESUMEN DE PESOS O MASAS (TN). ... 111
3.3.4. ANÁLISIS SISMICO. ... 111
3.3.4.1. OBJETIVOS. ... 111
3.3.4.2. MODELO ESTRUCTURAL. ... 112
3.3.4.3. PARÁMETROS SISMORRESISTENTES. ... 113
3.3.4.3.1. Factor zona (Z). ... 113
3.3.4.3.2. Factores de suelo (S). ... 113
3.3.4.3.3. Factor de uso (U). ... 113
3.3.4.3.4. Determinación del coeficiente de amplificación sísmica (C). ... 113
3.3.4.3.5. Factor de reducción de la fuerza sísmica (R). ... 114
3.3.4.4. ANÁLISIS SÍSMICO ESTÁTICO (E.030-2006) CON Sap2000. ... 114
3.3.4.4.1. Calculo de la fuerza sísmica y su distribución en altura. ... 114
3.3.4.4.2. Centro de masa con 5% de excentricidad accidental. ... 115
3.3.4.4.3. Control de derivas y desplazamientos obtenidos en el Sap2000. ... 115
3.4. PROPUESTA N°02(SISTEMA DUAL). ... 117
3.4.1. ESTRUCTURACIÓN. ... 117
3.4.2. PREDIMENSIONAMIENTO DE PLACAS... 118
3.4.2.1. Cuadro resumen de las nuevas dimensiones de los elementos estructurales. ... 118
3.4.3. METRADO DE CARGAS POR SISMO. ... 118
3.4.3.1. CARGA MUERTA (CM). ... 118
3.4.3.2. CARGA VIVA O SOBRECARGA (CV). ... 120
3.4.3.3. CUADRO RESUMEN DE PESOS O MASAS (tn). ... 121
3.4.4. ANÁLISIS SÍSMICO SEGÚN LA E.030 (2006). ... 121
3.4.4.2. PARÁMETROS SISMORRESISTENTES. ... 122
3.4.4.2.1. Factor zona (Z). ... 122
3.4.4.2.2. Factores de suelo (S). ... 122
3.4.4.2.3. Factor de uso (U). ... 122
3.4.4.2.4. Determinación del coeficiente de amplificación sísmica (C). ... 122
3.4.4.2.5. Factor de reducción de fuerza sísmica (R). ... 123
3.4.4.3. ANÁLISIS SÍSMICO ESTÁTICO (E.030-2006) CON EL Sap2000. ... 123
3.4.4.3.1. Calculo de la fuerza sísmica y su distribución en altura. ... 123
3.4.4.3.2. Centro de masa con 5% de excentricidad accidental. ... 124
3.4.4.3.3. Control de derivas y desplazamientos obtenidos en el Sap2000. ... 124
3.4.4.4. ANÁLISIS SÍSMICO DINÁMICO (E.030-2006). ... 126
3.4.4.4.1. Análisis Dinámico modal espectral (E.030-2006) con el sap2000. ... 126
3.4.4.4.2. Análisis Dinámico Tiempo-Historia (E.030-2006) con el sap2000. ... 133
3.4.5. ANÁLISIS SÍSMICO SEGÚN LA E.030 (2016). ... 140
3.4.5.1. MODELO ESTRUCTURAL. ... 140
3.4.5.2. PARÁMETROS SISMORRESISTENTES. ... 141
3.4.5.2.1. Factor zona (Z). ... 141
3.4.5.2.2. Parámetros de sitio (S, TP y TL). ... 141
3.4.5.2.3. Factor de uso (U). ... 141
3.4.5.2.4. Determinación del Coeficiente de Amplificación Sísmica (C). ... 141
3.4.5.2.5. Factor de Reducción de Fuerza Sísmica (R). ... 142
3.4.5.3. ANÁLISIS SÍSMICO ESTÁTICO (E.030-2016) CON EL Sap2000. ... 142
3.4.5.3.1. Calculo de la fuerza sísmica y su distribución en altura. ... 142
3.4.5.3.2. Centro de masa con 5% de excentricidad accidental. ... 143
3.4.5.3.3. Control de derivas y desplazamientos obtenidos en el Sap2000. ... 144
3.4.5.4. ANÁLISIS SÍSMICO DINÁMICO (E.030-2016). ... 145
3.4.5.4.1. Análisis dinámico modal espectral (E.030-2016) con el Sap2000. ... 145
3.5. DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES. ... 153
3.5.1. DISEÑO DE LOSA ALIGERADA. ... 153
3.5.2. DISEÑO DE VIGA. ... 155
3.5.2.1. DISEÑO DE VIGA PRINCIPAL DEL 1RO AL 5TO NIVEL. ... 155
3.5.2.2. DISEÑO DE VIGA PRINCIPAL DEL 6TO NIVEL. ... 158
3.5.2.3. DISEÑO DE VIGA SECUNDARIA DEL 1RO AL 5TO NIVEL. ... 160
3.5.2.4. DISEÑO DE VIGA SECUNDARIA DEL 6TO NIVEL. ... 161
3.5.3.1. DISEÑO DE COLUMNAS C-1. ... 163
3.5.3.2. DISEÑO DE COLUMNAS C-2. ... 163
3.5.3.3. DISEÑO DE COLUMNAS C-3. ... 164
3.5.4. DISEÑO DE MUROS DE CORTE (PLACAS). ... 164
3.5.4.1. DISEÑO DE LA PLACA N°05... 164
3.5.4.2. DISEÑO DE LA PLACA N°06... 166
3.5.5. DISEÑO DE ZAPATA AISLADA. ... 169
3.5.5.1. DISEÑO DE LA ZAPATA (Z-1). ... 169
CAPITULO IV: INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS. 4.1. ANÁLISIS SÍSMICO COMPARATIVO. ... 173
4.2. DISEÑO ESTRUCTURAL. ... 176
4.2.1. DISEÑO DE LOSA ALIGERADA. ... 176
4.2.2. DISEÑO DE VIGAS. ... 176
4.2.3. DISEÑO DE COLUMNAS. ... 177
4.2.4. DISEÑO DE PLACAS. ... 178
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 5.1. CONCLUSIONES. ... 179
5.1.1. ANÁLISIS SÍSMICO COMPARATIVO. ... 179
5.1.2. DISEÑO ESTRUCTURAL. ... 180
5.2. RECOMENDACIONES. ... 181
BIBLIOGRAFÍA ... 182
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.01; Países con mayor superficie en el mundo. 9
Tabla 2.02; Distancias de Juliaca a poblaciones y ciudades. 10
Tabla 2.03; Tasa de crecimiento de las ciudades capitales por departamento,
2014. 11
Tabla 2.04; Evolución de la población urbana de la ciudad de Juliaca. 12
Tabla 2.05; Sismos más importantes ocurridos en el Perú. 15
Tabla 2.06; Sismos importantes ocurridos en el Departamento de Puno. 20
Tabla 2.07; Índice de aplastamiento. 31
Tabla 2.08; Pesos propios de materiales de construcción. 32
Tabla 2.09; Cargas vivas mínimas repartidas. 33
Tabla 2.10; Factores de zona. 36
Tabla 2.11; Parámetros de suelo. 37
Tabla 2.12; Factor de uso. 39
Tabla 2.13; Coeficientes de reducción de fuerza sísmica R. 44
Tabla 2.14; Límites para desplazamiento lateral de entrepiso. 45
Tabla 2.15; Coeficientes de sistemas resistentes al corte CT. 46
Tabla 2.16; Factores de zona. 53
Tabla 2.17; Factores “S”. 54
Tabla 2.18; Periodo “TP” y “TL”. 54
Tabla 2.19; Factor uso. 55
Tabla 2.20; Servicios de salud. 56
Tabla 2.21; Coeficientes de reducción de fuerza sísmica R. 56
Tabla 2.22; Irregularidades estructurales en altura. 57
Tabla 2.23; Irregularidades estructurales en planta. 58
Tabla 2.24; Coeficientes de sistemas resistentes al corte CT. 60
Tabla 2.25; Límites para desplazamiento lateral de entrepiso. 65
Tabla 2.27; Factor de altura efectiva para diferentes muros y condiciones de
apoyo. 85
Tabla 2.28; Área de acero mínimo en muros. 86
Tabla 4.01; Resumen de las máximas derivas obtenidas en el eje (X). 174
Tabla 4.02; Resumen de las máximas derivas obtenidas en el eje (Y). 175
Tabla 4.03; Verificación de cuantías del As longitudinal (+). 176
Tabla 4.04; Verificación de cuantías del As longitudinal (-). 176
Tabla 4.05; Espaciamiento de los estribos obtenidos para el tramo ABC. 177
Tabla 4.06; Espaciamiento de los estribos obtenidos para tramo CD y DE. 177
Tabla 4.07; Acero longitudinal adoptado para cada tipo de columna. 177
Tabla 4.08; Espaciamiento de estribos adoptados para cada tipo de columna. 177
Tabla 4.09; Verificación de la resistencia del C° a las fuerzas de compresión. 178
Tabla 4.10; As por flexión. 178
Tabla 4.11; As por corte horizontal y vertical. 178
Anexos
Tabla A.01; Parámetros Ru para diversas calidades del concreto y
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.01; Países con mayor superficie en el mundo. 9
Figura 2.02; Estructura interna de la tierra agrupadas por el movimiento que se
produce en la corteza. 14
Figura 2.03; Estructura interna de la tierra agrupadas por su composición
química. 14
Figura 2.04; Esquema del proceso de convergencia de la placa de Nazca
(oceánica) y la sudamericana (continental). 15
Figura 2.05; Sismos más Importantes Ocurridos en el Perú. 16
Figura 2.06; Anillo de fuego del pacifico. 16
Figura 2.07; Foco, Epicentro y Ondas de un Terremoto. 17
Figura 2.08; Recorrido de las ondas de volumen y superficiales. 18
Figura 2.09; Registro de llegada de ondas P, S y superficiales obtenidas de un
sismógrafo (Tarbuck2003). 18
Figura 2.10; Mapa de isoaceleraciones para el departamento de Puno. 21
Figura 2.11; Longitud o luz libre entre ejes. 29
Figura 2.12; Sección de la columna. 30
Figura 2.13; Mapa de zonificación sísmica del Perú. 36
Figura 2.14; Forma del espectro de diseño. 38
Figura 2.15; Coeficiente de reducción sísmica R. 44
Figura 2.16; Mapa de zonificación sísmica del Perú. 54
Figura 2.17; Ensayo compresión uniaxial en laboratorio para determinar el f’c. 70
Figura 2.18; Curva Esfuerzo-Deformación del Concreto 71
Figura 2.19; Curva Esfuerzo-Deformación del Acero. 72
Figura 2.20; Detalle típico de una Losa Aligerada. 73
Figura 2.21; Detalle de una vigueta de Losa Aligerada. 74
Figura 2.22; Detalle del armado del acero longitudinal de una Losa Aligerada. 75
Figura 2.24; Tipos de fallas de una sección en flexión. 76
Figura 2.25; Empalmes Traslapados para vigas y Losas aligeradas. 79
Figura 2.26; Detalle de diseño por corte. 81
Figura 2.27; Detalle de espaciamientos transversal para elementos
sismorresistentes en flexión. 81
Figura 2.28; Detalle de espaciamientos mínimos en columnas. 83
Figura 2.29; Distribución de la reacción del suelo en terrenos granulares y
cohesivos. 88
Figura 2.30; Falla por corte por punzonamiento (Elevación). 90
Figura 2.31; Falla por corte por punzonamiento (Planta). 90
Figura 2.32; Falla por corte por flexión (Elevación). 91
Figura 2.33; Falla por corte por flexión (Planta). 91
Figura 2.34; Gráfico de transferencia de esfuerzos en una zapata aislada
(Elevación). 92
Figura 2.35; Gráfico de transferencia de esfuerzos en una zapata aislada
(Elevación). 92
Figura 4.01; Gráfico de máximas derivas & Número de Pisos en el eje (X). 174
Figura 4.02; Gráfico de máximas derivas obtenidos en el eje (X). 174
Figura 4.03; Gráfico de máximas derivas & Número de Pisos en el eje (Y). 175
Figura 4.04; Gráfico de máximas derivas obtenidos en el eje (Y). 175
Anexos.
Figura A.01; Nomogramas Columna Rectangular, f’c=210kg/cm2
ACI#R3-60.6
185
Figura A.02; Nomogramas Columna Rectangular, f’c=210kg/cm2
ACI#R3-60.7
185
Figura A.03; Nomogramas Columna Rectangular, f’c=210kg/cm2
ACI#R3-60.8
186
Figura A.04; Nomogramas Columna Rectangular, f’c=210kg/cm2
ACI#R3-60.9
Pág. 1
CAPITULO I
GENERALIDADES
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
1.1.1. ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN PROBLEMÁTICA.
En los últimos años, los eventos sísmicos se han convertido en uno de
los fenómenos naturales más frecuentes y que han ocasionado mayor daño y
preocupación en la población. El borde occidental de América del Sur es una
de las regiones sísmicamente más activas en el mundo y su actividad más
importante está asociada al proceso de subducción de la placa de Nazca por
debajo de la Sudamericana, el Perú es parte de esta región y frente a su línea
costera se genera de manera frecuente sismos de diversas magnitudes a
diferentes niveles de profundidad, siendo los más grandes los que han
Pág. 2 En el departamento de Puno dentro de las ciudades más vulnerables a
los eventos sísmicos se encuentra la ciudad de Juliaca debido a que en la
última década ha sido una de las ciudades con mayor crecimiento demográfico
en el país y esto trajo como consecuencia que el mercado de vivienda popular
tenga un crecimiento considerable el cual durante años ha sido atendido
principalmente por el sector informal (autoconstrucción) lo que produjo
viviendas de baja calidad y con elevados costos económicos.
La presente investigación surge de la necesidad de crear infraestructura
adecuada acorde con las condiciones mínimas de seguridad que establecen
las normas estructurales de nuestro país.
1.1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN.
1.1.2.1. INTERROGANTE GENERAL.
¿Cuál es la eficiencia del análisis y diseño sismorresistente de la
edificación de seis niveles frente a un sismo en la ciudad de Juliaca?
1.1.2.2. INTERROGANTES ESPECÍFICAS.
¿Cuál será el comportamiento de la edificación de seis niveles frente a
un sismo en la ciudad de Juliaca según las normas E.030 (2006) y E.030
(2016)?
¿Cuál será el comportamiento de los elementos estructurales diseñados
Pág. 3 1.1.3. JUSTIFICACIÓN Y LIMITACIÓN DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN.
1.1.3.1. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN.
La razón del presente trabajo de investigación es brindar una
metodología de desarrollo para el análisis y diseño de edificaciones en
concreto armado en la ciudad de Juliaca según las normas peruanas de diseño
sismorresistente E.030 (2006) y E.030 (2016) el cual nos permita conocer el
comportamiento de la edificación frente a las solicitaciones externas como son
los sismos utilizando métodos computacionales ya que en el Perú el diseño en
concreto armado es uno de los sistemas más utilizados en la construcción de
viviendas y edificios multifamiliares.
1.1.3.2. LIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN.
Debido a que nuestra universidad no cuenta con un laboratorio de
estructuras no se podrá realizar la simulación del diseño planteado en esta
investigación por lo que nos limitará a realizar la aplicación mediante software.
1.2. FORMULACIÓN DE LOS OBJETIVOS.
1.2.1. OBJETIVO GENERAL.
Analizar y diseñar una edificación de seis niveles en la ciudad de Juliaca
que cumpla con las condiciones establecidas en la filosofía de diseño
sismorresistente de las normas peruanas E.030 (2006) y E.030 (2016).
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Analizar el comportamiento de la edificación de concreto armado frente a
Pág. 4
Diseñar los elementos estructurales de la edificación aplicando la
metodología de diseño por resistencia teniendo en cuenta los parámetros
indicados en la norma E.060 (2009).
1.3. HIPÓTESIS Y VARIABLES.
1.3.1. HIPÓTESIS DE TRABAJO.
1.3.1.1. HIPÓTESIS GENERAL.
El análisis y diseño de la edificación de seis niveles de concreto armado
nos permitirá asegurar un adecuado comportamiento estructural de la
edificación frente a las diversas solicitaciones que se le puedan presentar a lo
largo de su vida útil.
1.3.1.2. HIPÓTESIS ESPECÍFICAS.
El análisis de la estructura según las normas E.030 (2006) y E.030
(2016) nos permitirá evaluar comportamiento de la estructura bajo las
exigencias de cada norma y así obtener la mejor repuesta estructural de la
edificación frente a un sismo.
En el diseño de los elementos de concreto armado se aplicará la
metodología de diseño por resistencia con finalidad de obtener que las
características de acción-respuesta de la estructura estén dentro de los límites
Pág. 5 1.3.2. VARIABLES E INDICADORES.
1.3.2.1. VARIABLE INDEPENDIENTE:
x = Análisis y Diseño sísmico.
Indicadores
- Criterios y conceptos de estructuración.
- Tipo de análisis.
- Método y restricciones de diseño.
1.3.2.2. VARIABLE DEPENDIENTE:
y = Comportamiento de la edificación de seis niveles de concreto armado.
Indicadores
- Sistema estructural.
- Factores de diseño (ubicación geográfica, tipo de suelo etc.).
- Sismo de diseño.
1.4. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN.
1.4.1. POBLACIÓN.
Este trabajo de investigación abarca la ciudad de Juliaca el cual se
caracteriza por el autoconstrucción de las edificaciones en su mayoría de
concreto armado de no más de 10 niveles.
1.4.2. MUESTRA.
Como muestra se va a considerar una edificación de seis niveles ubicado
en el departamento de Puno, provincia de San Román, distrito de Juliaca el cual
6
MATRIZ DE CONSISTENCIA.
TEMA: ANÁLISIS Y DISEÑO SÍSMICO DE UNA EDIFICACIÓN DE SEIS NIVELES DE CONCRETO ARMADO EN LA CIUDAD DE JULIACA. TESISTA: RITSHAR TONY CHAIÑA MAMANI.
PROBLEMA. OBJETIVOS. HIPÓTESIS. VARIABLES E INDICADORES.
Interrogante General.
¿Cuál es la eficiencia del análisis y diseño sismorresistente de la edificación de seis niveles frente a un sismo en la ciudad de Juliaca?
Objetivo General.
Analizar el comportamiento de la edificación de concreto armado frente a sismos en la ciudad de Juliaca según las normas E.030 (2006) y E.030 (2016).
Hipótesis General.
El análisis y diseño de la edificación de seis niveles de concreto armado nos permitirá asegurar un adecuado comportamiento estructural de la edificación frente a las diversas solicitaciones que se le puedan presentar a lo largo de su vida útil.
Variable independiente.
x = Análisis y Diseño sísmico.
Indicadores
- Criterios y conceptos de estructuración.
- Tipo de análisis.
- Método y restricciones de diseño.
Variable dependiente.
y = Comportamiento de la edificación de seis niveles de concreto armado.
Indicadores
- Sistema estructural.
- Factores de diseño (ubicación geográfica, tipo de suelo etc.).
- Sismo de diseño.
Interrogantes Especificas.
¿Cuál será el
comportamiento de la edificación de seis niveles frente a un sismo en la ciudad de Juliaca según las normas E.030 (2006) y E.030 (2016)?
¿Cuál será el
comportamiento de los elementos estructurales diseñados bajo la metodología de diseño por resistencia?
Objetivos Específicos.
Analizar el
comportamiento de la edificación de concreto armado frente a sismos en la ciudad de Juliaca según las normas E.030 (2006) y E.030 (2016).
Diseñar los elementos estructurales de la edificación aplicando la metodología de diseño por resistencia teniendo en cuenta los parámetros indicados en la norma E.060 (2009).
Hipótesis Específicos.
El análisis de la estructura según las normas E.030 (2006) y E.030 (2016) nos permitirá evaluar comportamiento de la estructura bajo las exigencias de cada norma y así obtener la mejor repuesta estructural de la edificación frente a un sismo.
Pág. 7
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL
2.1. INTRODUCCIÓN.
La respuesta dinámica de la estructura dependerá de las características
del lugar de estudio y las características propias de la estructura.
En este capítulo se señalará las características fisiográficas que
presenta la zona en estudio como también se definirán todos conceptos
métodos y teorías de análisis y diseño sísmico estructural que serán necesarios
para la realización del presente trabajo de investigación con el fin de identificar,
evaluar, estudiar, seleccionar y analizar alternativas para lograr la solución más
adecuada al problema planteado. Asimismo, se hará referencia de las
normativas utilizadas en la presente investigación como son las normas de
estructuras E.020 (2004), E.030 (2006), E.030 (2016), E.050, E.060 (2009) y
Pág. 8 El procedimiento de análisis y diseño estructural contempla las
siguientes etapas: Estructuración y predimensionamiento, metrado de cargas,
análisis estructural (Estático y Dinámico según las normas peruanas de diseño
sismorresistente E.030-2006 y E.030-2016) y diseño de elementos
estructurales en concreto armado.
2.2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA ZONA.
2.2.1. ASPECTOS GEOGRÁFICOS:
Geográficamente la ciudad de Juliaca se sitúa en la parte central de la
gran meseta del Qollao que ocupa el área comprendida entre las cadenas
occidental y oriental de los andes meridionales o también denominados andes del
sur, sobre una altitud que varía de los 3824 m.s.n.m. (zona del aeropuerto) y los
4139 m.s.n.m. (cima del cerro monos) según las referencias del Instituto Nacional
de Estadística e Informática y el Instituto Geofísico del Perú perteneciendo así
según la clasificación regional del Dr. Javier Pulgar Vidal a la zona de las tierras
de las regiones altas o también denominada región natural SUNI.
La ciudad de Juliaca está comprendida entre las siguientes coordenadas UTM
y Geográficas:
Coordenadas UTM Este
Norte
378428.3429 8287135.147
Coordenadas GEOGRAFICAS Latitud Sur
Longitud Oeste
Pág. 9 2.2.2. EXTENSIÓN SUPERFICIAL Y POBLACIÓN GENERAL.
2.2.2.1. EXTENSIÓN SUPERFICIAL.
El Perú tiene una superficie territorial 1 285,216.60 km2 y es considerado
el decimonoveno país más extenso del mundo como se muestra en la Tabla
2.01 y Figura 2.01; En el cual el Departamento de Puno ocupa una superficie
77,999.00 km2, la Provincia de San Román una superficie de 2,277.63 km2 y la
ciudad de Juliaca una superficie de 533.47 km2.
Tabla 2.01; Países Con Mayor Superficie en el mundo.
Países Superficie (miles de km2)
1. Federación de Rusia. 17 075
2. Canadá. 9 971
3. Estados Unidos de América. 9 629
4. China. 9 598
5. Brasil. 8 514
6. Australia. 7 741
7. India. 3 288
8. Argentina. 2 780
9. Kazajstán. 2 717
10. Argelia. 2 382
11. República Democrática del Congo. 2 345
12. Arabia Saudita. 2 150
13. México. 1 958
14. Indonesia. 1 905
15. Sudan. 1 861
16. Jamahiriya Árabe Libia. 1 760
17. República Islámica de Irán. 1 648
18. Mongolia. 1 566
19. Perú. 1 285
Fuente: (INEI, 2014)
Figura 2.01; Países con Mayor Superficie en el mundo.
Pág. 10 2.2.2.2. DISTANCIAS.
La ciudad de Juliaca es un punto de convergencia de vías de
comunicación, tanto aérea como terrestre. Las distancias de Juliaca, con
respecto a algunas poblaciones y ciudades del Departamento de Puno y fuera
del Departamento se muestran en la Tabla 2.02 (Apaza Quispe, 2000, pág. 24).
Tabla 2.02; Distancias de Juliaca a poblaciones y ciudades.
Ciudades Distancias en Km.
1. Juliaca a Puno. 43
2. Juliaca a Pukara. 61
3. Juliaca a Ayaviri. 94
4. Juliaca a Cusco. 346
5. Juliaca a Taraco. 30
6. Juliaca a Azangaro. 95
7. Juliaca a Huancane. 57
8. Juliaca a Moho. 95
9. Juliaca a Putina. 90
10. Juliaca a Chucuito. 61
11. Juliaca a Juli. 122
12. Juliaca a Arequipa. 283
13. Juliaca a Lima. 1 292
14. Juliaca a Moquegua. 300
Fuente: (Apaza Quispe, 2000)
2.2.2.3. TASA DE CRECIMIENTO POBLACIONAL DE LAS PRINCIPALES
CIUDADES DEL PAÍS.
Las ciudades capitales de los 24 departamentos, más las ciudades de
Chimbote, Chincha Alta, Pisco, Sullana, Talara, Juliaca, Tarapoto e Ilo,
constituyen las principales ciudades del país como se muestra en la Tabla 2.03
y concentran el 55.5% de la población con un total de 17 millones 107 mil 966
habitantes. Cajamarca (3,39%), Moyobamba (3,23%), Puerto Maldonado
Pág. 11 mayor incremento de su población entre los años 2013 y 2014 (Instituto
Nacional de Estadistica e Informatica, 2014, pág. 7).
Tabla 2.03; Tasa de Crecimiento de las Ciudades Capitales por Departamento, 2014.
Departamento Ciudad Población
(2014)
Tasa de crecimiento (%) 2013-2014
Total 17 107 966 1.47
Cajamarca. Cajamarca. 218 775 3.39
San Martin. Moyobamba. 54 713 3.23
Madre de Dios. Puerto Maldonado. 72 330 3.11
Ancash. Huaraz. 123 915 2.56
Puno. Juliaca 1/ 267 174 2.52
San Martin. Tarapoto 1/ 141 053 2.27
Amazonas. Chachapoyas. 29 247 2.20
Ayacucho. Ayacucho. 177 420 1.92
Cusco. Cusco. 420 137 1.73
Huancavelica. Huancavelica. 47 130 1.60
Tacna. Tacna. 288 698 1.57
Lima. Lima Metropolitana 2/ 9 735 587 1.56
Ica. Chincha Alta 1/ 174 575 1.55
Puno. Puno. 138 723 1.53
Moquegua. Moquegua. 59 682 1.51
La Libertad. Trujillo. 788 236 1.46
Piura. Piura. 430 319 1.46
Moquegua. Ilo 1/ 66 484 1.44
Huánuco. Huánuco. 172 924 1.27
Tumbes. Tumbes. 110 279 1.26
Loreto. Iquitos. 432 476 1.20
Ica. Ica. 241 903 1.06
Junín. Huancayo. 361 014 1.05
Lambayeque. Chiclayo. 594 759 0.98
Arequipa. Arequipa. 861 145 0.98
Ancash. Chimbote 1/ 367 850 0.89
Piura. Sullana 1/ 199 606 0.88
Apurímac. Abancay. 58 451 0.55
Ica. Pisco 1/ 104 349 0.32
Piura. Talara 1/ 90 797 0.04
Ucayali. Pucallpa. 211 631 0.01
Pasco. Cerro de Pasco. 66 584 -0.45
Fuente: (INEI, 2014)
Pág. 12 2.2.2.4. EVOLUCIÓN POBLACIONAL DEL DISTRITO DE JULIACA.
En las últimas décadas la ciudad de Juliaca ha sufrido un incremento
poblacional desmesurado y que ha venido evolucionando cuantitativamente de
la siguiente forma como se muestra en la Tabla 2.04.
Tabla 2.04; Evolución de la población urbana de la ciudad de Juliaca.
Año Población
1573 5 938
1583 7 894
1689 8 695
1862 10 725
1865 12 497
1876 16 276
1916 17 746
1940 20 034
1961 26 351
1969 96 965
1981 107 159
1993 145 147
1994 164 714
1995 170 445
1996 175 408
1997 179 840
2000 191 530
2005 208 918
2006 211 755
2007 216 716
2008 223 427
2009 243 710
2010 249 269
2012 254 947
2013 260 607
2014 267 174
Fuente: (INEI)
2.2.3. TOPOGRAFÍA.
La zona en general presenta una topografía llana con ligeras
ondulaciones, esta topografía tiene características propias de la zona; en estos
suelos altiplánicos en épocas de lluvias se forman depósitos aluviales y zonas
Pág. 13 2.3. ASPECTOS SISMOLÓGICOS.
2.3.1. TECTÓNICA DE PLACAS.
Desde su origen, la Tierra se encuentra en constante evolución debido a
que es afectada en su interior y exterior por diferentes procesos físicos y
químicos. Estos procesos han sido puestos en evidencia mediante diversos
estudios geofísicos y han permitido internamente dividir a la Tierra en tres
capas concéntricas conocidas como Litosfera, Astenósfera y Mesosfera (ver
Figura 2.02), y desde el punto de vista químico en Corteza, Manto y Núcleo (ver
Figura 2.03). La capa externa y por ende la más dinámica es la Corteza, la
misma que está conformada por una docena de placas rígidas de forma
esférica cuyo espesor varía entre 10 km para la corteza oceánica hasta 70 km
para la corteza continental. Cada una de estas placas, con diferentes
características físicas y químicas, se encuentran en constante movimiento
dando origen a diversos procesos tectónicos como la formación de nueva
corteza en los fondos oceánicos y la perdida de la misma en las zonas de
subducción. La colisión entre placas oceánicas, continentales y
continental-oceánica, permite la formación, en sus bordes, de cordilleras, volcanes y fallas
geológicas (Bernal & Tavera, 2002, pág. 3).
La interacción de la placa de Nazca y la Sudamericana, es el principal
proceso tectónico que define la geodinámica de Perú (ver Figura 2.04). Este
proceso es conocido como subducción (Bernal & Tavera, 2002, pág. 5), y ha
dado origen a una importante actividad volcánica y sísmica en nuestro país
produciendo un gran número de sismos de diferentes magnitudes a diferentes
Pág. 14 zonas sísmicas más activas de la tierra denominada Anillo de fuego del pacifico
o Circunpacífico (ver Figura 2.06).
Figura 2.02; Estructura interna de la tierra agrupadas por el movimiento que se produce en la corteza.
Fuente: (Tarbuck,2003)
Figura 2.03; Estructura interna de la tierra agrupadas por su composición química.
Pág. 15
Figura 2.04; Esquema del proceso de convergencia de la placa de Nazca (oceánica) y la sudamericana (continental).
Fuente: (Bernal & Tavera, 2002)
Tabla 2.05; Sismos más Importantes Ocurridos en el Perú.
Lugar. Fecha. Magnitud Intensidad
Lima. 28-10-1746 8.4 X - XI
Arica – Tacna. 13-08-1868 8.6 XI
Lima. 24-05-1940 8.2 VII - VIII
Lima. 17-10-1966 7.5 VIII
Chimbote. 31-05-1970 7.7 VII - VIII
Lima. 03-10-1974 7.5 VIII
Arequipa. 16-02-1979 6.9 VI
Cusco. 05-04-1986 5.8 V
Rioja. 04-04-1991 6.0 V
Nazca. 12-11-1996 7.5 VII - VIII
Arequipa, Moquegua y Tacna. 23-06-2001 7.9 VIII
Pisco. 15-08-2007
Fuente: (Instituto Geofísico del Perú)
Pág. 16
Ocurridos en el Perú.
Fuente: (Tavera y Bufom,1998)
Figura 2.06;Anillo de fuego del pacifico.
Pág. 17 2.3.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS SISMOS.
Cuando se produce un sismo o terremoto, se genera una liberación de
energía en el medio circundante. Esta energía rompe el equilibrio isostático del
interior de la Tierra generando una ruptura o fractura. Esta ruptura, produce en
el medio una vibración con movimiento ondulatorio de la Tierra; es la energía
liberada que se transmiten como ondas elásticas llamadas “ondas sísmicas”
que se propagan en el interior y superficie de la Tierra (ver Figura 2.07) (Tavera,
1993, pág. 14).
Figura 2.07; Foco, Epicentro y Ondas de un Terremoto.
Fuente: (www.fing.ucr.ac.cr)
Las ondas sísmicas, que transmiten parte de la energía que se libera en
el foco al producirse el terremoto, son básicamente de dos tipos: ondas
internas o de volumen y ondas superficiales. Las primeras se pueden propagar
por las zonas profundas de la tierra y son de dos clases: ondas P (Primarias) y
ondas S (Secundarias), llamadas así por ser, respectivamente, las primeras y
segundas en llegar a una estación dada. Las ondas P son longitudinales y
corresponden a modificaciones de volumen sin cambio de forma. A su vez, las
S son transversales y se relacionan con cambios de forma sin cambios de
Pág. 18 Además de las ondas internas P y S, si el medio tiene una superficie
libre o una estructura de capas, puede transmitir ondas de otro tipo que, por ser
apreciables únicamente cerca de la superficie, se denominan superficiales. Las
más importantes son las ondas Rayleigh y las ondas Love, así llamadas en
honor a los investigadores que en 1887 y 1911, respectivamente, explicaron su
formación (ver Figura 2.08). En ambos casos la velocidad de propagación es
menor que la de las ondas S (ver Figura 2.09); la amplitud decrece con la
profundidad, y los desplazamientos que generan se encuentran en el plano de
incidencia (Herraiz Sarachaga, 1997, pág. 15).
Figura 2.08; Recorrido de las ondas de volumen y superficiales.
Fuente: (www.fing.ucr.ac.cr)
Figura 2.09; Registro de llegada de ondas P, S y superficiales obtenidas de un sismógrafo (Tarbuck2003).
Pág. 19 (A). ONDAS INTERNAS O DE VOLUMEN.
Ondas Primarias (P): Ondas longitudinales o de dilatación.
Ondas Secundarias (S): Ondas transversales o de distorsión.
(B). ONDAS DE SUPERFICIE.
Ondas Rayleigh (R): Ondas longitudinales.
Pág. 20 2.3.3. PELIGRO SÍSMICO EN EL DEPARTAMENTO DE PUNO.
El Peligro Sísmico depende básicamente del panorama sismo tectónico
de la zona, así como también de sus características del suelo y la topografía
local.
El estudio de peligro sísmico en el Departamento de Puno fue realizado
por el Ing. Guillermo Bustamante Vásquez. Prediciendo probabilísticamente las
posibles aceleraciones máximas que podrían ocurrir, considerando los datos de
sismos pasados y las características tectónicas asociadas a la actividad
sísmica (ver Tabla 2.06). El análisis de Peligro Sísmico se realizó aplicando la
metodología desarrollada por A. Cornell en 1968 en términos probabilísticas,
metodología que fue modificada e implementada en el programa de cómputo
de RISK por Mc Guirre (1976).
Según este estudio la concentración de valores más altos de aceleración
ocurre específicamente en las provincias de Puno, Ilave, San Román y Lampa
y va disminuyendo a medida que avanza al norte del departamento es decir en
las provincias de Carabaya y Sandia como se muestra en el mapa de
isoaceleraciones para el departamento (ver Figura 2.10).
Tabla 2.06; Sismos importantes ocurridos en el Departamento de Puno.
Lugar. Fecha. Magnitud
Ayapata. 09-04-1928 7.3
Límite con Moquegua y Tacna. 11-05-1948 7.4 Chucuito (Intens. II). 05-05-2010 6.2 Límite con Tacna (Intens. II). 08-06-2011 5.9 Límite con Arequipa (Intens. II). 28-10-2011 6.8
Chucuito (Intens. II). 14-05-2012 6.3
Juliaca (Intens. II). 16-07-2013 6.0
Juliaca (Intens. IV). 01-04-2014 8.2
Juliaca (Intens. III). 24-08-2014 6.8
Pág. 21
Figura 2.10; Mapa de isoaceleraciones para el departamento de Puno.
2.4. ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO.
2.4.1. ESTRUCTURACIÓN.
2.4.1.1. OBJETIVO.
Es frecuente en la práctica que cuando se proyecta una edificación que
la mayor parte del tiempo se invierta en los procesos de dimensionamiento y
Pág. 22 estructuración. Desde el punto de vista de diseño sísmico esta práctica es
peligrosa, puesto que no se puede lograr que un edificio mal estructurado se
comporte satisfactoriamente ante un sismo por mucho que se refinen los
cálculos de análisis y dimensionamiento. Por el contrario, la experiencia en
varios sismos muestra que los edificios bien concebidos estructuralmente y
bien detallados han tenido un comportamiento adecuado, aunque no hayan
sido objeto de cálculos elaborados y en ocasiones, aunque no hayan satisfecho
rigurosamente los reglamentos.
En esta etapa se propone recomendaciones para la elección correcta de
la configuración estructural de la edificación. En esto incluye la forma de
construcción en planta y elevación, así como la distribución y arreglo de los
elementos estructurales que constituyen el esqueleto resistente de la
edificación frente a los eventos sísmicos que pueda haber en su vida útil.
También se busca que la edificación sea estéticamente satisfactoria y
sea económicamente factible su construcción.
2.4.1.2. CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN.
Los criterios estructurales que se debe tener en cuenta para un buen
comportamiento sísmico de las edificaciones son:
(A). SIMPLICIDAD Y SIMETRÍA.
La experiencia ha demostrado en reiteradas ocasiones que las
estructuras simples tienen un mejor comportamiento durante los sismos frente
a las estructuras complejas debido a que se puede predecir con mayor facilidad
Pág. 23 idealizarlos y además se debe tener mucho en cuenta la simetría de la
estructura en las 2 direcciones debido a que se puede producir efectos
torsionales que son difíciles de evaluar y pueden ser muy destructivos (Blanco
Blasco, 1994, pág. 6).
(B). RESISTENCIA Y DUCTILIDAD.
Las estructuras deben tener una resistencia sísmica adecuada por lo
menos en dos direcciones ortogonales de tal manera que se garantice la
estabilidad de toda la estructura como un todo y de cada uno de sus elementos
estructurales. La característica fundamental de la solicitación sísmica es su
eventualidad por esta razón, las fuerzas de sismo se establecen para valores
intermedios de la solicitación confiriendo a la estructura una resistencia inferior
a la máxima necesaria debiendo complementarse con una adecuada ductilidad
y en lo que se refiere a la ubicación de las rotula plásticas el diseño debe
tender a que estas se produzcan en los elementos que contribuyan menos a la
estabilidad de la estructura por esta razón es conveniente que se produzcan en
las vigas antes que en las columnas (Blanco Blasco, 1994, pág. 7).
(C). HIPERESTATICIDAD Y MONOLITISMO.
Como concepto general de diseño sismorresistente debe indicarse que
es conveniente de que todas estructuras tengan una disposición hiperestática
para lograr una mayor capacidad resistente y que al formarse rotulas plásticas
permitir que se disipe mejor la energía del sistema y, por otra parte, al
aumentar la capacidad resistente se otorga a la estructura un mayor grado de
Pág. 24 En el diseño donde el sistema de resistencia sísmica no sea
hiperestático es necesario tener en cuenta el efecto adverso (Blanco Blasco,
1994, pág. 8).
(D). UNIFORMIDAD Y CONTINUIDAD DE LA ESTRUCTURA.
En lo posible se debe tratar que la estructura sea continua tanto en
planta como en elevación con elementos que no cambien bruscamente su
rigidez para evitar concentraciones de esfuerzos (Blanco Blasco, 1994, pág. 9).
(E). RIGIDEZ LATERAL.
Para que una estructura pueda resistir fuerzas horizontales sin tener
deformaciones importantes será necesario proveerla de elementos
estructurales que aporten rigidez lateral en sus direcciones principales (Blanco
Blasco, 1994, pág. 9).
(F). EXISTENCIA DE DIAFRAGMAS RÍGIDOS (LOSAS).
Se debe considerar como hipótesis básica la existencia de una loza
rígida en su plano que permita la idealización de la estructura como una unidad
donde las fuerzas horizontales aplicadas puedan distribuirse en las columnas y
placas de acuerdo a su rigidez lateral manteniendo todas una misma
deformación lateral para un determinado nivel (Blanco Blasco, 1994, pág. 10).
(G). ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES.
En toda estructura existen elementos no estructurales tales como
tabiques, parapetos y entre otros el cual es un aspecto que debe ser tomado en
cuenta debido a que estos ocasionan en la estructura efectos positivos y
Pág. 25 amortiguamiento dinámico puesto que al agrietarse contribuyen a la disipación
de energía sísmica aliviando de esta manera a los elementos estructurales
resistentes y por otro lado el efecto negativo que puede ser ocasionado es que
al tomar esfuerzos no previstos en el cálculo distorsionan la distribución
supuesta de los esfuerzos (Blanco Blasco, 1994, pág. 11).
(H). SUBESTRUCTURA O CIMENTACIÓN.
La regla básica respecto a la resistencia sísmica respecto a la sub
estructura es que se debe tener una acción integral de la misma durante un
sismo, además de las cargas verticales que actúan considerando los siguientes
factores:
- Transmisión de la cortante basal de la estructura al suelo.
- Provisión para los momentos volcantes.
- Posibilidad de movimientos diferenciales de los elementos de la
cimentación.
- Licuefacción de suelos.
Cuando una estructura esta cimentada sobre dos tipos diferentes de suelos los
cuidados deben ser mayores para obtener una acción integral.
Otro factor que se debe considerar en el análisis es la posibilidad de giro
de la cimentación normalmente los ingenieros están acostumbrados a
considerar un empotramiento en la base de las columnas y muros lo cual no es
cierto en la mayoría de los casos.
Mientras menos duros sean los terrenos es mayor la importancia de
considerar la posibilidad de giro de la cimentación el cual afecta desde la
Pág. 26 fuerzas entre placas y pórticos y la distribución de esfuerzos en altura hasta los
diseños de los elementos estructurales (Blanco Blasco, 1994, pág. 14).
2.4.1.3. ELEMENTOS ESTRUCTURALES.
(A). LOSAS.
Son elementos de arriostre cuyas dimensiones en planta son
relativamente grandes en comparación con su peralte lo que hacen factible la
existencia de entrepisos y techos de una edificación. Las losas cumplen dos
funciones principales lo que es transmitir las cargas verticales como el peso
propio, tabiquería y sobrecargas por medio de las vigas o muros hacia los pisos
inferiores y también cumplen la función de obtener una unidad entre los
elementos de la estructura y lograr que se deformen en una misma cantidad en
cada nivel frente a un sismo.
(B). VIGAS.
Son elementos estructurales horizontales que sirven de apoyo a las
losas y tienen la función de recibir y transmitir las cargas verticales hacia las
columnas y además son usados como elementos de arriostre a efectos de
cargas horizontales cumpliendo así una función sísmica importantísima que es
la de constituir junto a las columnas y muros un sistema de elementos
resistentes a los diferentes esfuerzos producidos por las fuerzas horizontales
de sismo (cortantes, momentos y axiales) ayudando a proporcionar rigidez
Pág. 27 (C). COLUMNAS.
Son elementos estructurales verticales sometidos a esfuerzos de
flexo-compresión que tienen la función de recibir todas las cargas de los niveles
superiores por medio de las vigas con el fin de transmitirlos hacia la
cimentación. Y además desde el punto de vista sísmico las columnas son
elementos muy importantes pues forman con las vigas los denominados
pórticos que constituyen el esqueleto sismorresistente de la estructura (Blanco
Blasco, 1994, pág. 30).
(D). MUROS O PLACAS.
Las placas o también llamados muros de concreto armado son
elementos estructurales que tienen la misma función de las columnas que es
de recibir todas las cargas de los niveles superiores por medio de las vigas con
el fin de transmitirlos hacia la cimentación y que a diferencia de las columnas
estos proporcionan a la estructura una mayor rigidez lateral y resistencia en
esa dirección que un pórtico formado por columnas y vigas debido a que este
elemento tiene un largo notoriamente superior a su ancho.
(E). CIMENTACIONES.
Se llama cimentación al elemento estructural que cumple la función de
transmitir las cargas de las columnas y muros hacia el terreno. La resistencia
del suelo es menor que la resistencia del concreto por ello la cimentación debe
tener mayor área que su respectiva columna o muro para así reducir los
Pág. 28 estado de equilibrio y se produzcan asentamientos y deformaciones
perceptibles que repercutan en los demás elementos de la estructura.
Se debe tener en cuenta que las estructuras de cimentación son
altamente hiperestáticas y su cálculo preciso resulta ser muy complejo por lo
que el uso software ha venido a suministrar una gran ayuda, pero no se debe
olvidar que el conocimiento sobre las características del suelo o del concreto
son todavía imperfectos por todo ello se debe ser especialmente cuidadoso con
los métodos de cálculo.
2.4.2. PREDIMENSIONAMIENTO.
El predimensionamiento viene a ser la asignación de dimensiones
aproximadas a las secciones de los elementos estructurales basados en
teorías y métodos de aproximación.
2.4.2.1. PREDIMENSIONAMIENTO DE LOSA ALIGERADA.
El peralte de losas aligeradas en una dirección podrá ser dimensionado
mediante la expresión 2.01 considerando el criterio del Reglamento Nacional de
Edificaciones E.060 el cual nos da peraltes mínimos para no verificar
deflexiones, pero teniendo en cuenta las siguientes condiciones: “En losas
aligeradas continúas conformados por viguetas de 10 cm de ancho, bloque de
ladrillo de 30 cm y losa superior de 5 cm con sobrecargas menores a 300 kg/m²
y luces menores a 7.5 mt. “donde se cumple que:
h ≥ L
Pág. 29 2.4.2.2. PREDIMENSIONAMIENTO DE VIGA.
Existen muchos criterios para el predimensionamiento de vigas por la
cual en este caso utilizaremos el método del ACI (American Concrete Institute)
tomando siempre en cuenta los parámetros indicados en la N.T.E. (E.060) que
indican que las vigas deben tener un ancho mínimo de 25cm para el caso que
estas formen parte de pórticos o elementos sismorresistentes de estructuras de
concreto armado.
Donde el peralte (h) de la viga se calculará mediante la expresión 2.02:
h = Ln4 √Wu
(2.02)
Y la base (b) de la viga se calculará con la expresión 2.03:
b =AT
12 (2.03)
Dónde ”Ln” es la longitud o luz libre entre ejes (ver Figura 2.11),”Wu” es la carga
por unidad de área y ”AT“ es el Ancho tributario.
Figura 2.11; Longitud o luz libre entre ejes.
L1 L2 L3 L4
Ln
Donde debemos trabajar en base a la luz más crítica de L1, L2, L3 o L4.
2.4.2.3. PREDIMENSIONAMIENTO DE COLUMNAS.
Las columnas al ser sometidas a cargas axiales y momento flector tienen
Pág. 30 predimensionamiento el método japonés el cual fue creado debido al colapso
de muchas columnas en el sismo de TOKACHI en 1968 por causa de:
Fuerza cortante.
Deficiencia en el anclaje de acero en las vigas.
Deficiencia en los empalmes del acero en las columnas.
Por el aplastamiento.
Refuerzo de viga hacia columna.
De los resultados se obtuvo la expresión 2.04 (Morales Morales, 2006, pág. 88).
bD = P
n(f′c) (2.04)
Dónde:
D = Dimensión de la sección en la dirección del análisis sísmico (ver Figura
N°2.07).
b = La otra dimensión de la sección (ver Figura 2.12).
n = Índice de aplastamiento y se obtiene de la Tabla 2.07.
P = Carga total que soporta la columna (por sismo y gravedad).
f’c= Resistencia a la compresión del concreto.
Figura 2.12; Sección de la columna.
b
D
Sism o
hn D
Pág. 31
Tabla 2.07; Índice de aplastamiento.
Tipo C1 Columna interior (N < 3pisos) P = 1.10PG (n =0.30) Tipo C1 Columna interior (N > 4pisos) P = 1.10PG (n =0.25) Tipo C1, C3 Columnas extremas de pórticos interiores P = 1.25PG (n =0.25) Tipo C4 Columna de esquina P = 1.50PG (n =0.20)
Fuente: (Morales Morales, 2006)
2.4.2.4. PREDIMENSIONAMIENTO DE PLACAS.
En el caso de placas es difícil poder fijar un predimensionamiento debido
a que su función principal es absorber las fuerzas de sismo, mientras más
importantes sean tomaran un mayor porcentaje de cortante sísmico total,
aliviando más a los pórticos.
Las placas pueden hacerse mínimo de 10cm de espesor como es el
caso del sistema de Muros de Ductilidad Limitada (MDL) pero generalmente se
consideran de 20, 25 o 30cm de espesor conforme aumentamos el número de
pisos o disminuyamos su densidad. Para el caso de su longitud utilizaremos la
expresión 2.05 mostrada en la parte inferior debiendo tomar en cuenta que
primero se debe realizar el análisis sísmico en donde se debe buscar una
adecuada rigidez lateral en ambos sentidos de la edificación.
Lx,y =
Vbasal
ϕ(0.53)(√f′c)(b)(0.8) (2.05)
2.5. METRADO DE CARGAS.
El metrado de cargas viene a ser una técnica de cuantificación con la
cual se estima de manera aproximada todas las cargas que actúan sobre los
elementos estructurales que conforman la edificación. Las cargas o
solicitaciones que pueden actuar en una edificación se clasifican de la siguiente
