Análisis y diseño de un edificio multifamiliar de 6 pisos con semisótano considerando dos tipos de cimentación

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. “ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN EDIFICIO MULTIFAMILIAR DE 6 PISOS CON SEMISÓTANO CONSIDERANDO DOS TIPOS DE CIMENTACIÓN” TOMO I TESIS PRESENTADA POR EL BACHILLER: FERNANDO ANIBAL PIZARRO GUTIERREZ PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE: INGENIERO CIVIL ASESOR DE TESIS: M.SC. ING. JOHN ARAGÓN BROUSSET. AREQUIPA 2018.

(2) DEDICATORIA A mis padres Máximo y Edel, por su apoyo, cariño, preocupación y exigencia a lo largo de toda mi vida, lo cual me ha permitido llegar hasta donde estoy.. A mi hermana Romina, por su guía y ejemplo continuos, por sus consejos y su inmenso cariño.. A todos mis amigos, quienes me han ayudado en los momentos más difíciles y me han ayudado a exigirme más y superarme.. i.

(3) AGRADECIMIENTOS Agradezco a mi asesor Ing. John Aragón Brousset, por brindarme su apoyo, tiempo y consejos a lo largo del desarrollo de este trabajo.. Agradezco a mi familia por su apoyo constante dentro y fuera de casa.. Agradezco a todas las personas que contribuyeron en el proceso de selección del tema de tesis por sus sugerencias y bibliografía aportada.. Agradezco al personal de la Facultad de Ingeniería Civil de la UNSA y a todos los docentes con los que tuve el honor de formarme y gracias a los cuales amo a mi carrera.. ii.

(4) RESUMEN El presente trabajo consiste en el análisis y diseño estructural de un edificio destinado para departamentos, el cual consta de dos bloques independientes de 6 pisos que comparten un semisótano. Asimismo se realiza el diseño de dos cimentaciones, “A” y “B”, lo cual tiene un carácter únicamente aplicativo, no incluyendo los efectos de la flexibilidad del suelo en la respuesta de la superestructura.. El sistema estructural empleado para resistir las cargas sísmicas fue el de muros estructurales de concreto armado, incluyéndose también columnas y vigas peraltadas. El sistema de techo utilizado fue el de losas aligeradas, con algunos paños de losa maciza. En el semisótano se utilizaron muros de concreto armado a lo largo de todo el perímetro para resistir el empuje de suelos.. En base a un predimensionamiento, se creó un modelo tridimensional de la superestructura, donde se realizaron los análisis por cargas de gravedad y cargas sísmicas. Para el análisis por carga muerta, se realizó una comparación entre el análisis lineal convencional y el análisis que considera la secuencia constructiva. Para el caso de cargas sísmicas, se realizó un análisis dinámico modal espectral, a partir del cual se comprobó que la estructura cumpliera con los requisitos de la Norma Técnica E.030 de Diseño Sismorresistente.. Para el diseño de la Cimentación “A”, la cual está apoyada sobre un suelo con una capacidad portante de 2.75 kgf/cm2, se utilizaron zapatas aisladas, combinadas, corridas y conectadas, mientras que para el diseño de la Cimentación “B”, la cual está apoyada sobre un suelo con una capacidad portante de 0.95 kgf/cm2, se utilizó una losa de cimentación con vigas peraltadas.. El diseño de todos los elementos estructurales se realizó acorde a la Norma Técnica E.060 de Concreto Armado utilizando el método de resistencia última, con comprobaciones en condiciones de servicio según corresponda.. Palabras clave: diseño en concreto armado, edificio multifamiliar, diseño sismorresistente, diseño de cimentaciones.. iii.

(5) ABSTRACT The present work consists in the structural analysis and design of a building destined for departments, which consists of two independent blocks of 6 floors that share a semibasement. Also, the design of two foundations, "A" and "B", is carried out, which has only applicative nature, not including the effects of soil flexibility in the of the superstructure's response. The structural system used to resist the seismic loads was reinforced concrete structural walls, including columns and beams. The floor system used was one-way hollow block slabs, and some two-way solid slabs. In the semi-basement, reinforced concrete walls were used along the perimeter to resist lateral earth pressure.. Based on a preliminary dimensioning of the different elements, a three-dimensional model of the structure was created, where analyzes were performed for gravity loads and seismic loads. For dead load analysis, a comparison was made between the conventional linear analysis and the analysis that considers the construction sequence. In the case of seismic loads, a response spectrum analysis was carried out, from which it was verified that the structure met the requirements of the E.030 Technical Standard for Earthquake-Resistant Design.. For the design of Foundation "A", which is supported on a soil with a bearing capacity of 2.75 kgf/cm2, spread, combined, strip and strap footings were used, while for the design of Foundation "B", which is supported on a soil with a bearing capacity of 0.95 kgf/cm2, a mat foundation with beams was used.. The design of all the structural elements was carried out according to the Technical Standard E.060 of Reinforced Concrete using the ultimate strength design method, with serviceability checks as appropriate.. Keywords: reinforced concrete design, multifamily building, earthquake-resistant design, foundation design.. iv.

(6) ÍNDICE DE CONTENIDO DEDICATORIA ................................................................................................................... i AGRADECIMIENTOS....................................................................................................... ii RESUMEN .......................................................................................................................... iii ABSTRACT ........................................................................................................................ iv ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... x ÍNDICE DE TABLAS ...................................................................................................... xiv CAPÍTULO 1 .- ASPECTOS GENERALES ................................................................. 1 1.1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................... 1 1.2. OBJETIVOS ............................................................................................................. 1 1.2.1. OBJETIVO GENERAL...................................................................................... 1 1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................. 1 1.3. DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO A DISEÑAR ....................................................... 2 1.4. NORMAS Y REGLAMENTOS UTILIZADOS ..................................................... 4 1.5. CARGAS DE DISEÑO Y COMBINACIONES DE CARGA ................................ 5 1.6. CARACTERÍSTICAS DE LOS SUELOS EN CONSIDERACIÓN....................... 7 1.7. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES ..................................... 8 CAPÍTULO 2 .- ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO .................. 9 2.1. ESTRUCTURACIÓN .............................................................................................. 9 2.2. PREDIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES .............. 11 2.2.1. LOSAS ALIGERADAS UNIDIRECCIONALES ........................................... 11 2.2.2. LOSAS MACIZAS ........................................................................................... 11 2.2.3. ESCALERAS ................................................................................................... 11 2.2.4. VIGAS .............................................................................................................. 12 2.2.5. COLUMNAS .................................................................................................... 12 2.2.6. PLACAS ........................................................................................................... 14 2.2.7. TANQUE CISTERNA ..................................................................................... 17 CAPÍTULO 3 .- ANÁLISIS ESTRUCTURAL ............................................................ 19 3.1. ANÁLISIS TRIDIMENSIONAL POR CARGAS DE GRAVEDAD ................... 19 3.1.1. MODELO ESTRUCTURAL............................................................................ 19 3.1.2. CARGAS APLICADAS ................................................................................... 23 3.1.2.1. CARGA MUERTA ................................................................................... 23 3.1.2.2. CARGA VIVA .......................................................................................... 23 3.1.3. ANÁLISIS CONVENCIONAL ....................................................................... 27 v.

(7) 3.1.4. ANÁLISIS CONSIDERANDO LA SECUENCIA CONSTRUCTIVA .......... 29 3.2. ANÁLISIS TRIDIMENSIONAL POR CARGAS DE SISMO ............................. 32 3.2.1. ASPECTOS GENERALES .............................................................................. 32 3.2.2. PARÁMETROS SÍSMICOS ............................................................................ 32 3.2.3. PROCEDIMIENTOS DE ANÁLISIS SÍSMICO ............................................. 33 3.2.4. ANÁLISIS DINÁMICO MODAL ESPECTRAL............................................ 33 3.2.4.1. ESTIMACIÓN DEL PESO ....................................................................... 33 3.2.4.2. ESPECTRO DE DISEÑO ......................................................................... 34 3.2.4.3. MODOS DE VIBRACIÓN ....................................................................... 35 3.2.4.4. COMBINACIÓN MODAL EMPLEADA ................................................ 39 3.2.5. VALIDACIÓN DEL ANÁLISIS ..................................................................... 39 3.2.5.1. VALIDACIÓN DEL SISTEMA ESTRUCTURAL.................................. 39 3.2.5.2. CONTROL DE LAS DERIVAS DE ENTREPISO .................................. 40 3.2.5.3. DETERMINACIÓN DE LA REGULARIDAD ESTRUCTURAL .......... 41 3.2.6. CORTANTE BASAL MÍNIMO ...................................................................... 49 3.2.7. JUNTA DE SEPARACIÓN ENTRE EDIFICIOS ........................................... 50 3.2.8. FUERZAS FINALES DE DISEÑO ................................................................. 51 3.3. ANÁLISIS DE TECHOS ....................................................................................... 54 3.3.1. ANÁLISIS DE LOSAS ALIGERADAS.......................................................... 54 3.3.1.1. MODELO DE ANÁLISIS......................................................................... 54 3.3.1.2. METRADO DE CARGAS ........................................................................ 55 3.3.2. ANÁLISIS DE LOSAS MACIZAS ................................................................. 56 3.3.2.1. ASPECTOS GENERALES ....................................................................... 56 3.3.2.2. MODELO DE ANÁLISIS......................................................................... 56 3.3.2.3. CARGAS APLICADAS............................................................................ 57 3.4. ANÁLISIS DE ESCALERAS................................................................................ 58 3.4.1. MODELO DE ANÁLISIS ................................................................................ 58 3.4.2. METRADO DE CARGAS ............................................................................... 58 3.5. ANÁLISIS DE MUROS DE SEMISÓTANO ....................................................... 60 3.5.1. MODELO DE ANÁLISIS ................................................................................ 60 3.5.2. METRADO DE CARGAS ............................................................................... 60 CAPÍTULO 4 .- COMPARACIÓN DE RESULTADOS PARA LOS ANÁLISIS POR CARGA MUERTA .................................................................................................. 61 4.1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................. 61 4.2. COMPARACIÓN DE DESPLAZAMIENTOS VERTICALES ........................... 61 4.3. COMPARACIÓN DE FUERZAS AXIALES ....................................................... 63 vi.

(8) 4.4. COMPARACIÓN DE MOMENTOS FLECTORES EN VIGAS ......................... 64 4.5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................................ 66 CAPÍTULO 5 .- DISEÑO ESTRUCTURAL................................................................ 67 5.1. FUNDAMENTOS DEL DISEÑO EN CONCRETO ARMADO .......................... 67 5.1.1. METODOLOGÍA DE DISEÑO ....................................................................... 67 5.1.2. DISEÑO POR FLEXIÓN ................................................................................. 67 5.1.3. DISEÑO POR CORTE ..................................................................................... 69 5.1.4. CONTROL DE DEFLEXIONES EN ELEMENTOS A FLEXIÓN ................ 70 5.1.5. DETALLADO DEL REFUERZO POR FLEXIÓN ......................................... 71 5.1.5.1. CORTE DEL REFUERZO ........................................................................ 71 5.1.5.2. DETALLADO PARA MOMENTOS POSITIVOS .................................. 71 5.1.5.3. DETALLADO PARA MOMENTOS NEGATIVOS................................ 71 5.1.6. DISEÑO POR FLEXOCOMPRESIÓN ........................................................... 72 5.2. DISEÑO DE LOSA ALIGERADA ....................................................................... 73 5.2.1. ELEMENTO A DISEÑAR............................................................................... 73 5.2.2. DISEÑO POR FLEXIÓN ................................................................................. 73 5.2.3. DISEÑO POR CORTE ..................................................................................... 75 5.2.4. CONTROL DE DEFLEXIONES ..................................................................... 75 5.2.5. DETALLADO DEL REFUERZO .................................................................... 80 5.3. DISEÑO DE LOSA MACIZA ............................................................................... 84 5.3.1. ELEMENTO A DISEÑAR............................................................................... 84 5.3.2. DISEÑO POR FLEXIÓN ................................................................................. 84 5.3.3. DISEÑO POR CORTE ..................................................................................... 85 5.4. DISEÑO DE ESCALERAS ................................................................................... 87 5.4.1. ELEMENTO A DISEÑAR............................................................................... 87 5.4.2. DISEÑO POR FLEXIÓN ................................................................................. 87 5.4.3. DISEÑO POR CORTE ..................................................................................... 88 5.5. DISEÑO DE VIGAS .............................................................................................. 89 5.5.1. ELEMENTO A DISEÑAR............................................................................... 89 5.5.2. DISEÑO POR FLEXIÓN ................................................................................. 89 5.5.3. DISEÑO POR CORTE ..................................................................................... 91 5.5.3.1. OBTENCIÓN DE LA FUERZA CORTANTE DE DISEÑO................... 91 5.5.3.2. CÁLCULO DE LOS ESTRIBOS.............................................................. 93 5.5.4. CONTROL DE DEFLEXIONES ..................................................................... 95 5.5.5. DETALLADO DEL REFUERZO .................................................................... 99 vii.

(9) 5.6. DISEÑO DE COLUMNAS.................................................................................. 102 5.6.1. ELEMENTO A DISEÑAR............................................................................. 102 5.6.2. COMBINACIONES DE CARGA .................................................................. 103 5.6.3. DISEÑO POR FLEXOCOMPRESIÓN ......................................................... 105 5.6.3.1. EFECTOS DE ESBELTEZ ..................................................................... 105 5.6.3.2. DIAGRAMAS DE INTERACCIÓN....................................................... 106 5.6.4. DISEÑO POR CORTE ................................................................................... 108 5.6.5. CHEQUEO DE CORTE POR FRICCIÓN .................................................... 111 5.7. DISEÑO DE PLACAS ......................................................................................... 112 5.7.1. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO .................................................................. 112 5.7.2. ELEMENTO A DISEÑAR............................................................................. 114 5.7.3. COMBINACIONES DE CARGA .................................................................. 114 5.7.4. DISEÑO POR FLEXOCOMPRESIÓN ......................................................... 116 5.7.5. DISEÑO POR CORTE ................................................................................... 119 5.7.6. CHEQUEO DE CORTE POR FRICCIÓN .................................................... 121 5.8. DISEÑO DE MUROS DE SEMISÓTANO ......................................................... 122 5.8.1. ELEMENTO A DISEÑAR............................................................................. 122 5.8.2. DISEÑO POR FLEXIÓN ............................................................................... 122 5.8.3. DISEÑO POR CORTE ................................................................................... 123 5.9. DISEÑO DE TABIQUERÍA................................................................................ 124 5.9.1. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO .................................................................. 124 5.9.2. ELEMENTO A DISEÑAR............................................................................. 125 5.9.3. CÁLCULO DE LA MÁXIMA LONGITUD NO ARRIOSTRADA ............. 125 5.9.4. DISEÑO DE LOS ARRIOSTRES ................................................................. 126 5.9.5. JUNTAS DE AISLAMIENTO ....................................................................... 127 5.10. DISEÑO DE TANQUE CISTERNA ................................................................... 128 5.10.1. ASPECTOS GENERALES ............................................................................ 128 5.10.2. MODELO DE ANÁLISIS .............................................................................. 128 5.10.3. CARGAS DE DISEÑO .................................................................................. 129 5.10.3.1. CARGAS ESTÁTICAS .......................................................................... 129 5.10.3.2. CARGAS DINÁMICAS ......................................................................... 130 5.10.4. COMBINACIONES DE CARGA .................................................................. 139 5.10.5. REQUERIMIENTOS ADICIONALES ......................................................... 140 5.10.5.1. FACTOR DE DURABILIDAD “Sd”...................................................... 140 5.10.5.2. CUANTÍAS MÍNIMAS Y ESPACIAMIENTO MÁXIMO ................... 140 viii.

(10) 5.10.6. DISEÑO POR FLEXIÓN ............................................................................... 141 5.10.7. DISEÑO POR CORTE ................................................................................... 142 CAPÍTULO 6 .- DISEÑO DE CIMENTACIONES................................................... 143 6.1. INTRODUCCIÓN................................................................................................ 143 6.2. DISEÑO DE LA CIMENTACIÓN “A” .............................................................. 144 6.2.1. PREDIMENSIONAMIENTO ........................................................................ 144 6.2.2. MODELO DE ANÁLISIS .............................................................................. 146 6.2.3. DISEÑO DE ZAPATA AISLADA ................................................................ 151 6.2.3.1. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO........................................................... 151 6.2.3.2. ELEMENTO A DISEÑAR ..................................................................... 152 6.2.3.3. VERIFICACIÓN DE CORTE POR PUNZONAMIENTO .................... 152 6.2.3.4. VERIFICACIÓN DE CORTE POR FLEXIÓN ...................................... 153 6.2.3.5. DISEÑO POR FLEXIÓN ........................................................................ 154 6.3. DISEÑO DE LA CIMENTACIÓN “B” .............................................................. 155 6.3.1. PREDIMENSIONAMIENTO ........................................................................ 155 6.3.2. MODELO DE ANÁLISIS .............................................................................. 157 6.3.3. COMPROBACIÓN DE ASENTAMIENTOS ............................................... 161 6.3.4. DISEÑO DE LOSA DE CIMENTACIÓN..................................................... 163 6.3.4.1. ELEMENTO A DISEÑAR ..................................................................... 163 6.3.4.2. DISEÑO POR FLEXIÓN ........................................................................ 163 6.3.4.3. DISEÑO POR CORTE ............................................................................ 164 6.3.5. DISEÑO DE VIGA DE CIMENTACIÓN ..................................................... 166 6.3.5.1. ELEMENTO A DISEÑAR ..................................................................... 166 6.3.5.2. DISEÑO POR FLEXIÓN ........................................................................ 166 6.3.5.3. DISEÑO POR CORTANTE VERTICAL............................................... 168 6.3.5.4. DISEÑO POR CORTANTE HORIZONTAL ......................................... 170 6.3.5.5. DETALLADO DEL REFUERZO........................................................... 173 CONCLUSIONES ........................................................................................................... 176 RECOMENDACIONES ................................................................................................. 181 REFERENCIAS............................................................................................................... 182 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 183 ANEXO A .- PLANOS DEL COMPONENTE ARQUITECTURA ......................... 185. ix.

(11) ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Fachada frontal del edificio .................................................................................. 2 Figura 2.1 Esquema de estructuración para el Bloque 1 ..................................................... 10 Figura 2.2 Esquema de estructuración para el Bloque 2 ..................................................... 10 Figura 2.3 Esquema de escaleras ......................................................................................... 11 Figura 2.4 Área tributaria de columna a predimensionar .................................................... 13 Figura 2.5 Estructuración del Bloque 1 ............................................................................... 15 Figura 2.6 Estructuración del Bloque 2 ............................................................................... 16 Figura 2.7 Ubicación de tanque cisterna ............................................................................. 17 Figura 2.8 Área del tanque cisterna en planta ..................................................................... 18 Figura 3.1 Modelo inicial del edificio ................................................................................. 21 Figura 3.2 Modelo final Bloque 1 ....................................................................................... 22 Figura 3.3 Modelo final Bloque 2 ....................................................................................... 22 Figura 3.4 Aplicación de carga muerta en techo típico del Bloque 1 .................................. 24 Figura 3.5 Aplicación de carga muerta en techo típico del Bloque 2 .................................. 25 Figura 3.6 Aplicación de carga viva en techo típico del Bloque 1 ...................................... 26 Figura 3.7 Aplicación de carga viva en techo típico del Bloque 2 ...................................... 26 Figura 3.8 D.M.F. del Eje 2 del Bloque 1, para carga viva (tonf.m) ................................... 27 Figura 3.9 D.F.C. del Eje 2 del Bloque 1, para carga viva (tonf) ........................................ 28 Figura 3.10 D.F.A. del Eje 2 del Bloque 1, para carga viva (tonf)...................................... 28 Figura 3.11 Definición del caso de análisis de secuencia constructiva ............................... 30 Figura 3.12 Definición de las acciones a ejecutarse en cada etapa ..................................... 30 Figura 3.13 Etapas del análisis secuencial........................................................................... 31 Figura 3.14 Espectro de diseño Bloque 1 ............................................................................ 34 Figura 3.15 Espectro de diseño Bloque 2 ............................................................................ 35 Figura 3.16 Tres primeros modos de vibración del Bloque 1 ............................................. 37 Figura 3.17 Tres primeros modos de vibración del Bloque 2 ............................................. 38 Figura 3.18 Esquinas entrantes en Bloque 2........................................................................ 45 Figura 3.19 Áreas bruta y neta de un diafragma típico en el Bloque 2 ............................... 46 Figura 3.20 Discontinuidades en secciones del diafragma, Bloque 2 ................................. 47 Figura 3.21 Elemento resistente a cargas laterales no paralelo ........................................... 48 Figura 3.22 D.F.C y D.M.F de entrepiso, Sismo en X, Bloque 2 ........................................ 51. x.

(12) Figura 3.23 D.F.C y D.M.F de entrepiso, Sismo en Y, Bloque 2 ........................................ 52 Figura 3.24 Ubicación en planta de vigueta a analizar ........................................................ 54 Figura 3.25 Modelo de análisis para vigueta ....................................................................... 54 Figura 3.26 Diagrama de carga muerta en vigueta .............................................................. 55 Figura 3.27 Diagramas de carga viva en vigueta................................................................. 55 Figura 3.28 Modelo de techo típico en SAFE, Bloque 1 ..................................................... 56 Figura 3.29 Modelo de techo típico en SAFE, Bloque 2 ..................................................... 57 Figura 3.30 Modelo de análisis de escalera ......................................................................... 58 Figura 3.31 Diagrama de carga muerta en escalera ............................................................. 59 Figura 3.32 Diagrama de carga viva en escalera ................................................................. 59 Figura 3.33 Modelo utilizado para los muros de semisótano .............................................. 60 Figura 3.34 Diagrama de carga por empuje de suelos, muro de semisótano ...................... 60 Figura 4.1 Deformada para el análisis secuencial, Bloque 1, Eje H.................................... 61 Figura 4.2 Deformada para el análisis convencional, Bloque 1, Eje H ............................... 62 Figura 4.3 Fuerza axiales para el análisis secuencial, Bloque 1, Eje H ............................... 63 Figura 4.4 Fuerza axiales para el análisis convencional, Bloque 1, Eje H .......................... 63 Figura 4.5 Momentos flectores para el análisis secuencial, Bloque 1, Eje H ...................... 64 Figura 4.6 Momentos flectores para el análisis convencional, Bloque 1, Eje H ................. 65 Figura 5.1 D.M.F. para el diseño de aligerado (tonf.m) ...................................................... 73 Figura 5.2 Esquema preliminar del acero de vigueta .......................................................... 74 Figura 5.3 D.F.C. para el diseño de aligerado (tonf) ........................................................... 75 Figura 5.4 Deformada para el caso de carga muerta (mm) ................................................. 75 Figura 5.5 Deformada para el caso de carga viva 2 (mm) ................................................... 76 Figura 5.6 Deformada para el caso de carga viva 3 (mm) ................................................... 76 Figura 5.7 D.M.F. en condiciones de servicio en vigueta (tonf.m) ..................................... 76 Figura 5.8 Dimensiones de vigueta (cm) ............................................................................. 76 Figura 5.9 Dimensiones para el cálculo de Icr .................................................................... 77 Figura 5.10 Esquema para la comprobación de Ld ≤ Mn/Vu+La en vigueta ..................... 80 Figura 5.11 Esquema para el corte de acero positivo en vigueta ........................................ 81 Figura 5.12 Esquema para el corte del acero negativo en vigueta ...................................... 82 Figura 5.13 Esquema de corte exacto del refuerzo en vigueta ............................................ 83 Figura 5.14 Esquema final del corte de refuerzo en vigueta ............................................... 83 Figura 5.15 Ubicación del paño de losa maciza a diseñar ................................................... 84 Figura 5.16 D.M.F. para el diseño de losa maciza (tonf.m) ................................................ 84 xi.

(13) Figura 5.17 D.F.C. para el diseño de losa maciza (tonf) ..................................................... 85 Figura 5.18 Esquema final del diseño de losa maciza ......................................................... 86 Figura 5.19 D.M.F. para el diseño de escalera (tonf.m) ...................................................... 87 Figura 5.20 D.F.C. para el diseño de escalera (tonf) ........................................................... 88 Figura 5.21 Esquema final del diseño de escalera ............................................................... 88 Figura 5.22 Ubicación de viga a diseñar ............................................................................. 89 Figura 5.23 D.M.F. para la envolvente de diseño en viga (tonf.m) ..................................... 89 Figura 5.24 Esquema preliminar del refuerzo en viga......................................................... 91 Figura 5.25 Envolvente de fuerzas cortantes en viga (tonf) ................................................ 91 Figura 5.26 Diagramas para la obtención de Vm1 y Vm2 ................................................... 92 Figura 5.27 D.F.C. isostáticos para la combinación 1.25∙(CM+CV) .................................. 92 Figura 5.28 D.F.C. de la envolvente con casos de sismo multiplicados por 2.5 ................. 93 Figura 5.29 Esquema para cálculo de estribos .................................................................... 94 Figura 5.30 Deformada para el caso de carga muerta (mm) ............................................... 95 Figura 5.31 Deformada para el caso de carga viva (mm) .................................................... 95 Figura 5.32 D.M.F. para la combinación de cargas a nivel de servicio (tonf.m) ................ 95 Figura 5.33 Esquema para comprobación Ld ≤ Mn/Vu+La en viga ................................... 99 Figura 5.34 Esquema del corte de acero positivo en viga ................................................. 100 Figura 5.35 Esquema del corte de acero negativo en viga ................................................ 101 Figura 5.36 Esquema de corte exacto del refuerzo en viga ............................................... 102 Figura 5.37 Esquema final del corte de refuerzo en viga .................................................. 102 Figura 5.38 Ubicación de columna a diseñar .................................................................... 102 Figura 5.39 Diagramas de fuerzas para la Combinación 1 en columna ............................ 103 Figura 5.40 Diagramas de fuerzas para la Combinación 2X en columna ......................... 104 Figura 5.41 Diagramas de fuerzas para la Combinación 3X en columna ......................... 104 Figura 5.42 Distribución de refuerzo en columna en semisótano ..................................... 106 Figura 5.43 Diagrama de interacción para columna en semisótano .................................. 107 Figura 5.44 D.F.C. para combinaciones con cargas de sismo amplificadas (tonf) ........... 108 Figura 5.45 Ubicación de placa a diseñar .......................................................................... 114 Figura 5.46 Diagramas de fuerzas para la Combinación 1 en placa .................................. 115 Figura 5.47 Diagramas de fuerzas para la Combinación 2X en placa ............................... 115 Figura 5.48 Diagramas de fuerzas para la Combinación 3X en placa ............................... 116 Figura 5.49 Fuerzas utilizadas para el diseño de la placa .................................................. 116 Figura 5.50 Refuerzo vertical propuesto para placa .......................................................... 117 xii.

(14) Figura 5.51 Diagrama de interacción de placa en primer piso .......................................... 117 Figura 5.52 Esquema final del refuerzo en placa .............................................................. 121 Figura 5.53 D.M.F. para el diseño de muros de semisótano (tonf.m) ............................... 122 Figura 5.54 D.F.C. para el diseño de muros de semisótano (tonf) .................................... 123 Figura 5.55 Esquema final del refuerzo en muro de semisótano....................................... 123 Figura 5.56 Muro con tres bordes arriostrados .................................................................. 125 Figura 5.57 Cargas sobre columna de arriostre ................................................................. 126 Figura 5.58 Modelo del tanque cisterna ............................................................................ 128 Figura 5.59 Cargas actuantes sobre muro de tanque cisterna (tonf/m 2) ............................ 138 Figura 5.60 D.M.F. en la dirección principal del muro (tonf.m/m)................................... 141 Figura 5.61 D.M.F. en la dirección secundaria del muro (tonf.m/m) ................................ 141 Figura 5.62 D.F.C. en la dirección principal del muro (tonf/m) ........................................ 142 Figura 5.63 D.F.C. en la dirección secundaria del muro (tonf/m) ..................................... 142 Figura 6.1 Modelo final de la Cimentación “A” ............................................................... 147 Figura 6.2 Presiones en el suelo, combinación CM+CV en Cimentación “A” ................. 148 Figura 6.3 Presiones en el suelo, combinación CM+CV+CSX en Cimentación “A” ........ 149 Figura 6.4 Presiones en el suelo, combinación CM+CV+CSY en Cimentación “A” ........ 150 Figura 6.5 D.F.C. para el diseño de zapata ........................................................................ 153 Figura 6.6 D.M.F. para el diseño de zapata ....................................................................... 154 Figura 6.7 Esquema final del diseño de zapata ................................................................. 155 Figura 6.8 Predimensionamiento de zapata para el Suelo 2 .............................................. 155 Figura 6.9 Modelo final de la Cimentación “B” ................................................................ 157 Figura 6.10 Presiones en el suelo para CM+CV en Cimentación “B” (tonf/m 2) .............. 158 Figura 6.11 Presiones en el suelo para CM+CV+CSX en Cimentación “B” (tonf/m2) ..... 159 Figura 6.12 Presiones en el suelo para CM+CV+CSY en Cimentación “B” (tonf/m2) ..... 160 Figura 6.13 Asentamientos en la Cimentación “B”, combinación CM+CV+CS X (m) ..... 162 Figura 6.14 D.M.F. para el diseño de losa de cimentación (tonf.m) ................................. 163 Figura 6.15 D.F.C. para el diseño de losa de cimentación (tonf) ...................................... 164 Figura 6.16 Esquema final del diseño de losa de cimentación .......................................... 165 Figura 6.17 D.M.F. para el diseño de viga de cimentación (tonf.m) ................................. 166 Figura 6.18 Esquema preliminar del refuerzo en viga de cimentación ............................. 167 Figura 6.19 D.F.C. para el diseño de viga de cimentación (tonf) ...................................... 169 Figura 6.20 Esquema del sistema viga-losa de cimentación ............................................. 170 Figura 6.21 Detalle de junta intencionalmente rugosa ...................................................... 172 xiii.

(15) Figura 6.22 Esquema del corte de acero negativo en viga de cimentación ....................... 173 Figura 6.23 Esquema del corte de acero positivo en viga de cimentación ........................ 174 Figura 6.24 Esquema del corte exacto del refuerzo en viga de cimentación..................... 175 Figura 6.25 Esquema del corte final del refuerzo en viga de cimentación ........................ 175. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1 Parámetros sísmicos del edificio ......................................................................... 32 Tabla 3.2 Peso del edificio para análisis sísmico ................................................................ 33 Tabla 3.3 Porcentaje de participación de masas efectivas Bloque 1 ................................... 36 Tabla 3.4 Porcentaje de participación de masas efectivas Bloque 2 ................................... 36 Tabla 3.5 Sistemas estructurales de C°A° ........................................................................... 39 Tabla 3.6 Porcentaje del cortante basal tomado por las placas del Bloque 1 ...................... 39 Tabla 3.7 Porcentaje del cortante basal tomado por las placas del Bloque 2 ...................... 39 Tabla 3.8 Drift admisible por sismo en el Bloque 1 ............................................................ 40 Tabla 3.9 Drift admisible por sismo en el Bloque 2 ............................................................ 40 Tabla 3.10 Tipos de irregularidad estructural (Norma E.030) ............................................ 41 Tabla 3.11 Verificación de irregularidad de rigidez, Sismo en X, Bloque 2....................... 42 Tabla 3.12 Verificación de irregularidad de rigidez, Sismo en Y, Bloque 2....................... 42 Tabla 3.13 Verificación por irregularidad de peso, Bloque 2 ............................................. 43 Tabla 3.14 Verificación de irregularidad torsional, Sismo en X, Bloque 2 ........................ 44 Tabla 3.15 Verificación de irregularidad torsional, Sismo en Y, Bloque 2 ........................ 44 Tabla 3.16 Verificación de irregularidad por esquinas entrantes, Bloque 2 ........................ 45 Tabla 3.17 Verificación de irregularidad por discontinuidad del diafragma, Bloque 2 ...... 46 Tabla 3.18 Verificación de irregularidad por discontinuidad del diafragma (2), Bloque 2 47 Tabla 3.19 Verificación de irregularidad por sistemas no paralelos, Bloque 2 ................... 48 Tabla 3.20 Resumen de las verificaciones de Irregularidad Estructural ............................. 49 Tabla 3.21 Verificación del Cortante Basal Mínimo, Bloque 1 .......................................... 49 Tabla 3.22 Verificación del Cortante Basal Mínimo, Bloque 2 .......................................... 50 Tabla 4.1 Comparación de desplazamientos verticales, Bloque 1, Eje H ........................... 62 Tabla 4.2 Comparación de fuerzas axiales, Bloque 1, Eje H .............................................. 64 Tabla 4.3 Comparación de momentos flectores, Bloque 1, Eje H....................................... 65 Tabla 5.1 Diseño por flexión en vigueta.............................................................................. 74 xiv.

(16) Tabla 5.2 Diseño por corte en vigueta ................................................................................. 75 Tabla 5.3 Chequeo de deflexiones en vigueta ..................................................................... 79 Tabla 5.4 Comprobación de Ld ≤ Mn/Vu+La en vigueta ................................................... 80 Tabla 5.5 Corte de acero positivo en vigueta ...................................................................... 81 Tabla 5.6 Corte de acero negativo en vigueta ..................................................................... 83 Tabla 5.7 Diseño por flexión en losa maciza ....................................................................... 85 Tabla 5.8 Diseño por corte en losa maciza .......................................................................... 86 Tabla 5.9 Diseño por flexión en escalera ............................................................................ 87 Tabla 5.10 Diseño por corte en escalera .............................................................................. 88 Tabla 5.11 Diseño por flexión en viga ................................................................................ 90 Tabla 5.12 Cálculo del cortante por capacidad.................................................................... 92 Tabla 5.13 Chequeo de deflexiones en viga ........................................................................ 98 Tabla 5.14 Comprobación Ld ≤ Mn/Vu+La en viga ........................................................... 99 Tabla 5.15 Corte del acero positivo en viga ...................................................................... 100 Tabla 5.16 Corte del acero negativo en viga ..................................................................... 101 Tabla 5.17 Evaluación del tipo de estructura frente a desplazamientos laterales.............. 105 Tabla 5.18 Evaluación de la necesidad de considerar los efectos de esbeltez................... 106 Tabla 5.19 Fuerzas de diseño para columna en semisótano .............................................. 107 Tabla 5.20 Distribución de refuerzo en columna del segundo piso................................... 107 Tabla 5.21 Obtención del cortante sísmico ....................................................................... 109 Tabla 5.22 Diseño por corte en columna ........................................................................... 110 Tabla 5.23 Chequeo de corte por fricción en columnas .................................................... 111 Tabla 5.24 Fuerzas de diseño en placa .............................................................................. 118 Tabla 5.25 Verificación de la necesidad de usar elementos de borde ............................... 118 Tabla 5.26 Comprobación de la resistencia a flexocompresión de placa .......................... 119 Tabla 5.27 Diseño por corte en placa ................................................................................ 120 Tabla 5.28 Chequeo de corte por fricción en placa ........................................................... 121 Tabla 5.29 Diseño por flexión en muro de semisótano ..................................................... 122 Tabla 5.30 Diseño por corte en muros de semisótano ....................................................... 123 Tabla 5.31 Factores de aceleración para diseño de tabique ............................................... 125 Tabla 5.32 Datos para el cálculo de fuerzas en un muro del tanque cisterna .................... 134 Tabla 5.33 Diseño por flexión en muro de tanque cisterna ............................................... 141 Tabla 5.34 Diseño por corte en muro de tanque cisterna .................................................. 142 Tabla 6.1 Datos para predimensionamiento de zapata ...................................................... 145 xv.

(17) Tabla 6.2 Comprobación de presiones en zapata .............................................................. 146 Tabla 6.3 Datos para la verificación de corte por punzonamiento .................................... 152 Tabla 6.4 Diseño por flexión en losa de cimentación........................................................ 164 Tabla 6.5 Diseño por corte en losa de cimentación ........................................................... 165 Tabla 6.6 Diseño por flexión en viga de cimentación ....................................................... 167 Tabla 6.7 Cálculo de estribos en viga de cimentación ...................................................... 169. xvi.

(18) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES. CAPÍTULO 1 .- ASPECTOS GENERALES 1.1. INTRODUCCIÓN. En este capítulo se presentan los lineamientos generales del presente trabajo. En primer lugar se definen los objetivos a cumplir. Hecho eso se procede a definir las características del edificio a diseñar desde su componente arquitectónico. Luego se establecen las normas utilizadas, los casos y combinaciones de carga, las características de los suelos de cimentación y las propiedades mecánicas de los materiales que conformarán los elementos estructurales del edificio.. 1.2. OBJETIVOS. 1.2.1. OBJETIVO GENERAL  Realizar el análisis y diseño de un edificio multifamiliar de 6 pisos con semisótano acorde a la normativa nacional vigente, asegurando que la estructura cumpla con los requisitos de resistencia, condiciones de servicio y principios del diseño sismorresistente.. 1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Aplicar y consolidar los conceptos de análisis y diseño estructural aprendidos en los cursos de pregrado de la carrera de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de San Agustín.  Realizar la estructuración y dimensionamiento apropiado para los elementos estructurales a diseñar, teniendo en consideración los requisitos de resistencia, servicio y rigidez.  Modelar adecuadamente la secuencia constructiva en el análisis estructural por cargas de gravedad.  Comparar la respuesta estructural del modelo comúnmente utilizado para analizar cargas de gravedad con la respuesta dada por un modelo que considere la secuencia constructiva.. 1.

(19) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES.  Realizar el análisis sísmico de la estructura acorde a la nueva norma de Diseño Sismorresistente E.030 2016, comprobando que se cumplan todos los requisitos establecidos por la misma.  Realizar el diseño de todos los elementos estructurales, realizando las comprobaciones por condiciones de servicio cuando sea necesario.  Elaborar los planos de estructuras de una forma ordenada y organizada, incluyendo detalles tanto en planta como en corte.. 1.3. DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO A DISEÑAR. La estructura a diseñar es un edificio destinado para departamentos, el cual consta de dos bloques independientes de 6 pisos típicos con 2 departamentos por piso, los cuales comparten un semisótano destinado a estacionamientos y depósitos. La altura total del edificio es 18.35 m, la altura piso a piso típica es 2.625 m y 2.80 m en el semisótano. Además las áreas netas por piso de cada bloque son 302 m2 y 307 m2 aproximadamente. El acceso al edificio se logra mediante un ingreso peatonal y un ingreso vehicular. El ingreso de personas se encuentra en la parte central de la fachada (que forma parte del primer bloque del edificio) y se encuentra controlado por la guardianía.. Figura 1.1 Fachada frontal del edificio 2.

(20) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES. Una vez dentro se suben unas escaleras hacia el vestíbulo donde se puede acceder a 2 departamentos, así como también se tiene un pase hacia el segundo bloque el cual se encuentra en la parte posterior del terreno teniendo también un vestíbulo que da acceso a 2 departamentos. Cada bloque está provisto de una caja de escaleras y un ascensor, las cuales se acceden desde los vestíbulos y operan desde el semisótano hasta la azotea. Cada departamento cuenta principalmente con: 1 sala y comedor, 1 cocina con lavadero, 1 dormitorio principal con baño propio completo, 2 dormitorios con baño completo compartido, un medio baño para visitas, un patio de servicio y un cuarto para personal de servicio con 1/4 de baño. Particularmente en el primer piso del primer bloque, sus dos departamentos cuentan con una terraza que da cara a la fachada, la cual está separada de la calle por una baranda compuesta por vigas y columnas de concreto armado y en el primer piso del segundo bloque, sus dos departamentos cuentan con un jardín en su parte posterior. Con respecto a estos jardines, los planos de arquitectura no presentan detalle alguno, por lo que en el presente trabajo se considera emplear un sistema de techo verde extensivo (vegetación menor). Para acomodar la instalación de los componentes de dicho sistema se efectuará un desnivel estructural de 0.15 m a nivel de ese techo. En la azotea de cada bloque sólo existe una pequeña área techada la cual recibe el último tramo de las escaleras y la última parada del ascensor. El acceso vehicular se ubica en el extremo izquierdo de la fachada, entrando por una puerta levadiza hacia una rampa que lleva al semisótano donde existen 8 estacionamientos disponibles. En este piso se encuentran también ambientes destinado a depósitos, sin embargo estos podrían acondicionarse a futuro para dar lugar a más estacionamientos. El edificio cuenta con ductos destinados a iluminación y ventilación, los cuales permitirán una adecuada circulación de aire en los semisótanos, una correcta iluminación natural dentro de los departamentos y un lugar potencial para colocar montantes de agua y desagüe. Con respecto al ascensor de cada bloque, los planos de arquitectura no contemplan un cuarto de máquinas, por lo cual se asume un sistema de ascensor sin cuarto de máquinas, el cual es viable para las condiciones de uso del edificio. Los planos de arquitectura no ofrecen un detalle del hueco del ascensor, por lo que para el presente trabajo se harán cumplir las dimensiones mínimas para la profundidad del foso (1.30 m) y para el sobre recorrido (4.00 m) acorde a la Norma Técnica EM.070 Transporte Mecánico.. 3.

(21) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES. Para el sistema de distribución de agua y sistema contra incendio, sólo se cuenta con la ubicación de un tanque cisterna en la planta del semisótano, no existiendo un tanque elevado. Por tanto se asume un sistema indirecto con tanque cisterna y equipo hidroneumático, estando el tanque cisterna enterrado y el cuarto de máquinas ubicado directamente por encima a nivel del semisótano.. 1.4. NORMAS Y REGLAMENTOS UTILIZADOS. El diseño de los elementos estructurales se ha realizado siguiendo los lineamientos y especificaciones de las siguientes normas del Reglamento Nacional de Edificaciones:. E.020 Cargas 2006 E.030 Diseño Sismorresistente 2016 E.050 Suelos y Cimentaciones 2006 E.060 Concreto Armado 2009 E.070 Albañilería 2006. Complementariamente para el diseño del tanque cisterna se ha considerado aplicar también los lineamentos de las siguientes normas del ACI:. ACI 350-06 Code Requirements for Environmental Engineering Concrete Structures ACI 350.4R-04 Design Considerations for Environmental Engineering Concrete Structures ACI 350.3-06 Seismic Design of Liquid-Containing Concrete Structures. El resto de normas consultadas respecto a edificaciones se encuentran detalladas en la Bibliografía.. 4.

(22) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES. 1.5. CARGAS DE DISEÑO Y COMBINACIONES DE CARGA. Para el presente trabajo se considerarán las siguientes cargas, acorde a la norma E.020:. Carga Muerta (CM): Peso específico de elementos de concreto armado = 2.4 tonf/m3 Peso específico de elementos de concreto simple = 2.3 tonf/m3 Peso específico de tabiquería de albañilería con tarrajeo = 1.9 tonf/m 3 Peso específico del agua = 1.0 tonf/m3 Peso específico del suelo = 1.8 tonf/m3 Losa aligerada unidireccional de 20 cm = 0.30 tonf/m2 Piso terminado = 0.10 tonf/m2 Sistema de techo verde incluyendo vegetación = 0.18 tonf/m2. Carga Viva (CV): Sobrecarga en el interior de los departamentos: 0.20 tonf/m 2 Sobrecarga en los vestíbulos y escaleras: 0.20 tonf/m 2 Sobrecarga en la azotea y techo de azotea: 0.10 tonf/m 2 Sobrecarga en los jardines del segundo bloque: 0.40 tonf/m2 Sobrecarga en el semisótano (estacionamientos): 0.25 tonf/m 2 Sobrecarga en el cuarto de bombas: 0.25 tonf/m2 Anclajes en el techo de la caja de ascensor: -. Anclaje para instalación de cabina: 2 tonf. -. Anclajes para instalación de equipos: 1 tonf. Sistema de puerta levadiza para ingreso vehicular: 0.30 tonf Carga viva en barandas de fachada (terrazas): 60 kgf/m (horizontal y vertical). Carga de Sismo (CS): Se definirá en la sección 3.2.. Empuje de suelos (CE): Se definirá en la sección 1.6.. 5.

(23) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES. Una vez definidas las cargas, se procede a establecer las combinaciones de cargas para el diseño de elementos de concreto armado, según el Método de diseño por Resistencia Última que da la norma E.060:. Combinación para cargas de gravedad: U = 1.4∙CM + 1.7∙CV. (1-1). Combinaciones para cargas de sismo: U = 1.25∙(CM + CV) + CS. (1-2). U = 0.9∙CM + CS. (1-3). Debiéndose considerar el sismo independientemente en cada dirección principal del edificio (X & Y) y en cada sentido (positivo y negativo).. Combinación para considerar el empuje de suelos: U = 1.4∙CM + 1.7∙CV + 1.7∙CE. (1-4). Las cargas y las combinaciones de carga anteriores serán aplicadas a los diferentes modelos en la medida que sean aplicables.. Para el caso del tanque cisterna se adoptarán las cargas y combinaciones estipuladas en la norma ACI 350-06, las cuales se verán en la sección 5.10.. 6.

(24) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES. 1.6. CARACTERÍSTICAS DE LOS SUELOS EN CONSIDERACIÓN. En el presente trabajo se consideran separadamente dos tipos de suelos de cimentación. La finalidad de esto es únicamente aplicativa y está abocada al diseño de las dos cimentaciones. Los suelos a considerar son:. SUELO 1: Grava mal Gradada (GP) Perfil de Suelo S2 (NTE E.030) Capacidad portante admisible: qa = 2.75 kgf/cm2 Profundidad de cimentación mínima: Df = 2.10 m Módulo de balasto de diseño: ks = 9000 tonf/m3. SUELO 2: Arena Limosa (SM) Perfil de Suelo S2 (NTE E.030) Capacidad portante admisible: qa = 0.95 kgf/cm2 Profundidad de cimentación mínima: Df = 1.70 m Módulo de balasto de diseño: ks = 2000 tonf/m3. Adicionalmente:  Ambos suelos se ubican en la Zona Sísmica N° 3 (Norma E.030).  La profundidad de cimentación se tomará respecto al nivel +0.00 en ambos suelos.  Se considera que no existe napa freática en toda la profundidad de influencia de las cimentaciones a diseñar.  Para el diseño de muros de contención del semisótano, se usarán los siguientes parámetros: -. Peso específico del suelo: γ = 1.8 tonf/m3. -. Ángulo de rozamiento interno: φ = 30°. -. Cohesión: c = 0 kgf/cm2.  Se considerará una sobrecarga vehicular equivalente de 1 tonf/m 2 en los muros perimetrales del semisótano.. 7.

(25) CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES. 1.7. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES. Para el análisis y diseño de todos los elementos de concreto armado (incluyendo las columnas de arriostre y las cimentaciones) se consideran las siguientes propiedades:. CONCRETO: Resistencia especificada a la compresión: f´c = 210 kgf/cm2 Módulo de elasticidad: Ec = 15000√f'c = 217370.65 kgf/cm2 Módulo de Poisson: μ = 0.15 Máxima deformación unitaria en compresión: εcu = 0.003 Módulo de ruptura: fr = 2√f'c = 28.983 kgf/cm2. Para el diseño de muros del tanque cisterna se adoptarán las propiedades especificadas en la sección 5.10.2.. ACERO DE REFUERZO: Resistencia especificada a la fluencia fy = 4200 kgf/cm2 Módulo de elasticidad: Es = 2000000 kgf/cm2 Deformación unitaria al inicio de la fluencia: εy = 0.0021. 8.

(26) CAPÍTULO 2. ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO. CAPÍTULO 2 .- ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO 2.1. ESTRUCTURACIÓN. En base al diseño arquitectónico, lo que sigue es definir el sistema estructural y la ubicación de todos sus componentes, con la finalidad de permitir a los ocupantes del edificio cumplir con sus actividades diarias y a la vez lograr que la estructura cumpla con la filosofía, principios y concepción estructural del diseño sismorresistente estipulados en la norma E.030.. En primer lugar se define el sistema estructural a utilizar, siendo los más comunes los de albañilería confinada y los sistemas duales de pórticos y muros de concreto armado. Inmediatamente se observa que gran parte de los muros dentro de los departamentos no tienen continuidad vertical hacia la cimentación, puesto que el semisótano está destinado a estacionamientos, por lo que no pueden usarse como muros estructurales, por otro lado la altura total del edificio es mayor a 15 metros, que es la máxima permitida por la norma E.070, por lo que se descarta el sistema de albañilería confinada.. Quedando solamente la opción de estructurar el edificio en concreto armado, en ambos bloques se encuentran columnas cuadradas en las intersecciones de los ejes de arquitectura, asimismo todos los muros que tienen continuidad vertical se toman como placas, existiendo mayor densidad de muros en la dirección perpendicular a la fachada (Eje Y) en comparación a la dirección paralela a ella (Eje X). Para conectar todos estos elementos se proyecta utilizar vigas peraltadas en ambas direcciones. Adicionalmente en ambos bloques una parte del área de dormitorios sobresale en voladizo, teniendo que añadir vigas adicionales. En base a esta estructuración se asume que el sistema resistente a cargas laterales de edificio será el de Muros Estructurales de Concreto Armado, suposición que será validada durante el análisis sísmico.. Como ejemplo se presenta un esquema preliminar de la estructuración propuesta para los pisos típicos de los bloques 1 y 2:. 9.

(27) CAPÍTULO 2. ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO. BLOQUE 1. Figura 2.1 Esquema de estructuración para el Bloque 1. BLOQUE 2. Figura 2.2 Esquema de estructuración para el Bloque 2 10.

(28) CAPÍTULO 2. ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO. 2.2. PREDIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES. 2.2.1. LOSAS ALIGERADAS UNIDIRECCIONALES. El criterio utilizado es asumir un espesor de 1/25 de la luz libre. En base al esquema de estructuración, se decide usar viguetas paralelas a la dirección X, siendo la mayor luz libre de 5.15 m por lo que el espesor de la losa aligerada será: haligerado =. 5.15 = 0.206 m ≈ 0.20 m 25. En los casos donde exista tabiquería paralela a las viguetas se colocarán vigas chatas.. 2.2.2. LOSAS MACIZAS. Para ambos bloques, en base a la dirección del aligerado, se tiene que en los paños exteriores, donde se encuentran los ductos de ventilación, las áreas de baños concentran una cantidad importante de tabiquería. Por motivos de control de deflexiones y facilidad en el vaciado, se decide convertir dichos paños en losa maciza con el mismo espesor del aligerado, asimismo se toma como losa maciza el paño que abarca la caja de ascensor y la caja de escaleras.. 2.2.3. ESCALERAS. El criterio utilizado es asumir un espesor de 1/30 de la luz libre horizontal entre apoyos. Considerando que la estructura de la caja de escaleras está formada por dos tramos típicos, se define el espesor de cada tramo como: hescalera =. 4.45 = 0.148 m ≈ 0.15 m 30. Sin embargo, los requerimientos por flexión determinarán que el espesor sea de 0.20 m.. Figura 2.3 Esquema de escaleras 11.

(29) CAPÍTULO 2. ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO. 2.2.4. VIGAS. El criterio utilizado se toma de Blanco (1997, p.39) y es asumir un peralte de 1/12 de la luz libre entre columnas, siendo la mayor de ellas de 5.00 m se tiene: hviga =. 5.00 = 0.417 m ≈ 0.45 m 12. Dicho valor se aplicará a todas las vigas que formen parte del sistema resistente a cargas laterales en ambas direcciones, para tener uniformidad visual y de rigidez. El ancho de las vigas se encuentra entre 0,3 a 0,5 veces su peralte, siendo recomendable un ancho mínimo de 0.25 m. En base a lo anterior se establece un ancho de 0.25 m para las vigas paralelas a la dirección X y un ancho de 0.30 m para las vigas paralelas a la dirección Y, las cuales recibirán mayor carga tributaria proveniente de las losas aligeradas.. 2.2.5. COLUMNAS. Las columnas son elementos verticales que soportan cargas axiales, momentos flectores y fuerzas cortantes, sin embargo en el presente trabajo, debido a la presencia de placas, las columnas principalmente soportarán cargas de axiales de compresión. Para el predimensionamiento se utiliza la fórmula dada por Harmsen (2005, p.258): Ag =. Pu 0.45∙(f'c + ρ∙fy). (2-1). Donde: Ag es el área bruta de la columna (cm2) Pu es la carga de compresión amplificada (kgf) ρ es la cuantía del refuerzo, igual al área de refuerzo longitudinal entre el área bruta La arquitectura del Bloque 1 propone columnas de 40x40 cm2 mientras que la del Bloque 2 propone columnas de 45x45 cm2, luego para el predimensionamiento se tomará la columna más cargada y se aplicará el resultado a las demás. Dicha columna se encuentra en el Bloque 1 y el esquema de su área tributaria se muestra en la Figura 2.4, la cual tiene un valor de: Atrib = 5.14 m × 5.28 m = 27.14 m2 Luego, las cargas que existen en dicha área son: 12.

(30) CAPÍTULO 2. ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO. Figura 2.4 Área tributaria de columna a predimensionar. Carga muerta: qcm = Aligerado + Piso terminado + Tabiquería qcm = 0.30 + 0.10 + 0.15 (estimado) = 0.55 tonf/m2 Carga viva: qcv = 0.20 tonf/m2 Luego para la combinación de cargas de gravedad, ecuación (1-1), se tiene: qu = 1.4∙(0.55) + 1.7∙(0.20) = 1.11 tonf/m2 Considerando que hay 7 niveles con el semisótano, la carga que soportará la columna será: Pu = 7∙(1.11 × 27.14) = 210.87 tonf = 210870 kgf Considerando una cuantía de ρ = 0.01, reemplazando en la ecuación (2-1) se tiene: Ag =. 210870 = 1859.54 cm2 0.45∙(210 + 0.01×4200). Respetando la arquitectura con columnas cuadradas: L = √Ag = √1859.54 = 43.12 cm ≈ 45 cm Por tanto se usará una sección cuadrada de 45x45 cm2 para todas las columnas. 13.

(31) CAPÍTULO 2. ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO. 2.2.6. PLACAS. Las placas o muros de corte son elementos verticales que soportan cargas axiales, momentos flectores y fuerzas cortantes, su función principal es la de resistir las fuerzas internas generadas por los sismos y controlar los desplazamientos laterales correspondientes. La resistencia a cortante de las placas debe cumplir con los requerimientos del diseño por capacidad, los cuales dependen de su resistencia a flexión, la cual a su vez depende de la carga axial asociada que soporta la placa. Estas complejidades impiden que exista un criterio de predimensionamiento preciso para las placas.. En el presente trabajo, la arquitectura proporciona un punto de partida para su ubicación y dimensiones como puede verse en la Figura 2.1 y en la Figura 2.2, de modo que solamente debe comprobarse que se cumpla el artículo 21.9.3.2 de la norma E.060, el cual indica que el espesor del alma de las placas no deberá ser menor de 1/25 de la altura entre elementos que le proporcionen apoyo lateral ni menor de 0.15 m, es decir: tmin ≥ max(1/25∙hu; 0.15 m), luego con hu = 2.375 m tmin ≥ max(2.375/25; 0.15 m) = max(0.095 m; 0.15 m) = 0.15 m. Este valor mínimo se cumple en todas las placas del edificio, donde las placas en dirección Y tendrán un espesor de 0.25 m (salvo una placa de 0.15 m), mientras que las placas en dirección X tendrán un espesor de 0.25 a 0.40 m acorde a la arquitectura.. El artículo 21.9.3.4 también requiere que cuando la placa se convierta en un muro exterior de sótano, el espesor mínimo de éste sea 0.20 m. Dado que todos las placas perimetrales tienen espesor 0.25 m, este espesor se asumirá a lo largo de todos los muros perimetrales del semisótano, salvo el muro de la fachada principal, el cual tendrá el espesor mínimo de 0.20 m previamente establecido.. A continuación se muestra la estructuración en planta de los techos típicos de los bloques 1 y 2:. 14.

(32) ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO. Figura 2.5 Estructuración del Bloque 1. CAPÍTULO 2. 15.

(33) ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO. Figura 2.6 Estructuración del Bloque 2. CAPÍTULO 2. 16.

(34) CAPÍTULO 2. ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO. 2.2.7. TANQUE CISTERNA. Se procede a calcular el volumen de agua del tanque cisterna acorde a la norma IS.010 Instalaciones Sanitarias para Edificaciones. En primer lugar se obtiene la dotación diaria para el edificio del artículo 2.2 inciso b) el cual establece que para viviendas multifamiliares con 3 dormitorios por departamento la dotación es de 1200 litros/día por departamento, luego considerando que ambos bloques tienen 6 pisos habitables con 2 departamentos por piso se tiene que: Dotación diaria = 2×6×2×1200 = 28800 L/día = 28.8 m3 /día Luego, acorde el artículo 2.4 inciso f), el volumen de agua para consumo humano para el sistema de tanque cisterna y equipo hidroneumático será igual a la dotación diaria, en este caso 28.8 m3. Adicionalmente se debe considerar un volumen de agua contra incendios. Asumiendo el sistema de alimentadores y gabinetes contra incendio con mangueras para uso de los ocupantes de la edificación, el volumen de agua designado será el establecido en el artículo 4.2 inciso b) igual a 25 m3.. Por tanto, el volumen total de agua del tanque cisterna será: Vtot = 28.8 + 25 = 53.8 m3. A partir de este valor se propone la siguiente distribución del tanque en planta:. Figura 2.7 Ubicación de tanque cisterna. 17.

(35) CAPÍTULO 2. ESTRUCTURACIÓN Y PREDIMENSIONAMIENTO. Para predimensionar el espesor de los muros, se siguen los lineamientos de las normas ACI. La norma ACI 350-06 en su artículo 14.6.2 establece que el espesor mínimo de muros vaciados in situ que van a estar en contacto con líquidos y cuya altura es mayor o igual a 3 metros debe ser 12 pulgadas (0.30 m). Para muros con altura menor a 3 metros, la norma ACI 350.4R-04 establece en su sección 4.4 que para muros con refuerzo en ambas caras el espesor mínimo práctico es de 10 pulgadas (0.25 m). En base a lo anterior se asume un espesor de muro de 0.25 m, en base al cual se determinará la altura necesaria y se comprobará si ésta es menor a 3 metros para cumplir con el espesor mínimo requerido. Con el espesor propuesto, el área en planta de la cisterna se muestra en la siguiente figura:. Figura 2.8 Área del tanque cisterna en planta Luego, la altura del agua será: hagua =. Vtot⁄ 53.8⁄ Area = 24.91 = 2.16 m ≈ 2.20 m. Adicionalmente debe existir una altura entre el nivel del agua y el techo del tanque la cual permita la instalación de las tuberías de alimentación y rebose. Cumpliendo con la norma IS.010 en los artículos 2.4 incisos i), j), k) y m) dicha distancia se fija en 0.70 m.. Por tanto, la altura interna total del tanque será de 2.20 + 0.70 = 2.90 m < 3.00 m, por lo que el espesor de muro asumido es conforme.. Finalmente, para la losa de techo se asumirá un espesor de 0.20 m. 18.

(36) CAPÍTULO 3. ANÁLISIS ESTRUCTURAL. CAPÍTULO 3 .- ANÁLISIS ESTRUCTURAL 3.1. ANÁLISIS TRIDIMENSIONAL POR CARGAS DE GRAVEDAD. 3.1.1. MODELO ESTRUCTURAL. Para predecir la respuesta estructural del edificio, se creó un modelo tridimensional utilizando el software ETABS 2016. Los diferentes elementos estructurales fueron modelados como se indica a continuación, con la geometría y propiedades del concreto definidas en las secciones 1.7 y 2.2 de este trabajo:. -. Vigas y columnas: Elementos tipo Frame. -. Losas aligeradas: Elementos tipo Membrane con distribución de carga en una dirección. -. Losas macizas: Elementos tipo Shell. -. Escaleras: Elementos tipo Shell. -. Placas: Elementos tipo Shell. En el caso de vigas y columnas, se anuló su resistencia a la torsión (Property Modifiers), además se aplicó una conexión articulada (End Release) en los extremos de las vigas donde el acero de refuerzo no pueda desarrollar su longitud de desarrollo con gancho (Ldg) y donde por ende no se puedan desarrollar los momentos negativos de diseño. De manera similar, en las losas macizas se aplicó una liberación de momentos (Edge Release) en los bordes donde el acero de refuerzo no pueda desarrollar su longitud de desarrollo con gancho estándar (Ldg).. En el caso de escaleras, se modelaron de modo que solamente estén apoyadas en los elementos estructurales donde se ancla el refuerzo de éstas, es decir en la llegada de cada techo y en la porción de la placa que recibe los descansos.. Para el sistema de techos empleado, se asignó un diafragma rígido en cada uno de ellos salvo en el techo del semisótano, donde para modelar el confinamiento producido por el suelo colindante se aplicó una restricción a los desplazamientos laterales (X & Y) en todos los nudos de ese nivel.. 19.

(37) CAPÍTULO 3. ANÁLISIS ESTRUCTURAL. Finalmente, todos los nudos que llegan a la cimentación se han considerado empotrados, lo cual en la realidad es una idealización. Para validar esta condición en el análisis estructural, el tesista se basa en la norma norteamericana ASCE 7-16 (2017), la cual en su artículo 12.7.1 Foundation Modeling (Modelamiento de la Cimentación) indica lo siguiente:. Para el propósito de determinar las cargas sísmicas, está permitido considerar la estructura como empotrada en la base. Alternativamente, donde se considere la flexibilidad de los cimientos, se hará acorde con la sección 12.13.3 o al capítulo 19. (p.100). Adicionalmente en los comentarios de esta norma, se proporciona la explicación técnica para el artículo mencionado. Según el artículo C12.7.1 Foundation Modeling:. Dado un movimiento de terreno específico o un espectro de respuesta, la respuesta dinámica de la estructura depende del sistema de cimentación y de las características del suelo que soporta el sistema. La dependencia de la respuesta sobre el sistema estructuracimiento-suelo es referida como Interacción Suelo-Estructura (ISE). Tal interacción comúnmente, pero no siempre, resulta en una reducción del cortante basal sísmico. Esta reducción es causada por la flexibilidad del sistema cimiento-suelo y un alargamiento del periodo fundamental de vibración de la estructura asociado. En adición, el sistema del suelo puede proveer una fuente adicional de amortiguamiento. Sin embargo, el desplazamiento total típicamente se incrementa con la interacción suelo-estructura. Si la cimentación es considerada rígida, los cortantes basales calculados son usualmente conservadores, y es por esta razón que el análisis con cimiento rígido es permitido. El diseñador puede omitir la interacción suelo-estructura o puede considerarla explícitamente de acuerdo con la sección 12.13.3 o implícitamente de acuerdo al capítulo 19. (p.558). Por lo tanto, a pesar de que la flexibilidad del suelo tiene incidencia en la respuesta de la superestructura de un edificio, dado que las diferencias evidenciadas (aumento en el periodo fundamental de vibración y aumento en el amortiguamiento) tienden a reducir el cortante basal dinámico, se valida considerar la base de la superestructura como empotrada, con lo cual se obtendrán fuerzas sísmicas conservadoras para fines del diseño estructural.. 20.