3.1. Método de la investigación
Para Carrasco (2013) el “método científico constituye un sistema de procedimientos, técnicas, instrumentos, acciones estratégicas y tácticas para resolver el problema de investigación, así como probar la hipótesis científica”(pág. 269).
En base a las consideraciones descritas, la presente investigación pertenece al método de investigación científica ya que tiende procedimientos para la demostrar una hipótesis científica.
3.2. Enfoque de la investigación Al respeto los autores afirman lo siguiente:
El enfoque cuantitativo de la investigación utiliza la recolección de datos y el análisis de los mismos para contestar preguntas de investigación y probar hipótesis formuladas previamente, además confía en la medición de variables e instrumentos de investigación, con el uso de la estadística descriptiva e inferencial, en tratamiento estadístico y la prueba de hipótesis; la formulación de hipótesis estadísticas, el diseño formalizado de los tipos de investigación; el muestreo, etc. (Ñaupas, Mejía, Novoa, & Villagómez, 2014, pág. 97).
Entonces, concluimos que la presente investigación pertenece al enfoque cuantitativo ya que tiende a ser susceptible de medición de sus componentes.
3.3. Tipo de investigación
Según Ñaupas et al. (2014) menciona que “la investigación aplicada, es aquella que resulta de la aplicación de las teorías científico-naturales-sociales a los problemas, perspectivas de mejora de los procesos productivos, de información, comunicación, de transporte, circulación, salud, educación, vivienda, entretenimiento y seguridad”(pág. 68).
En Consecuencia, en la presente investigación se desarrolla una investigación aplicada ya que involucra todos los conocimientos existentes y su profundización, acerca del tema en cuestión, para así intentar solucionar el problema planteado.
3.4. Nivel de la investigación
Al respecto Hernández Sampieri, Fernández, & Baptista (2014) menciona que “el nivel
Así, su propósito se basa en ilustrar porque se presenta un fenómeno y bajo qué escenarios se manifiesta”(pág. 30).
Bajo esta consideración, el presente estudio reúne las condiciones suficientes para ser calificado como una investigación explicativa ya que justifica la ocurrencia de los sucesos de forma clara y argumentativa.
3.5. Diseño de la investigación
Según Ñaupas et al. (2014). Las investigaciones experimentales se caracterizan porque el investigador puede manipular las variables independientes a su criterio para demostrar su influencia en la variable dependiente, para lo cual debe controlar las variables, formar grupos de control y de experimentación observar y medir los cambios en la variable dependiente, evitando que factores externos e internos puedan producir hipótesis rivales (pág. 101).
Se plantea entonces, un diseño experimental, ya que tenemos la libertad de manejar la variable independiente para evaluar su efecto en la variable dependiente.
3.6. Población y muestra 3.6.1. Población
Según Hernández Sampieri et al. (2014), “la población viene a ser el conjunto de todos los casos que concuerdan con determinadas especificaciones”(pág. 174).
En base a lo anterior, la presente investigación tiene como población a los edificios altos de concreto armado con sistemas estructurales no convencionales.
3.6.2. Muestra
Para Ñaupas et al. (2014) “la muestra es el subconjunto, o parte del universo o población, seleccionado por métodos diversos, pero siempre teniendo en cuenta la representatividad del universo. Es decir, una muestra es representativa si reúne las características de los individuos del universo”(pág. 246).
Para la presente de investigación, consideraremos como muestra un edificio de 48 pisos y 216m de altura con sistema diagrid.
3.7. Técnicas e instrumentos de recolección de datos 3.7.1. Técnica
Según Carrasco (2013) “el análisis documental permite obtener y recopilar información contenido en documentos relacionados con el problema y objetivo de la investigación”
(pág. 275).
De acuerdo a los mencionado, la presente investigación se realizará mediante la técnica de recolección de datos mediante el análisis documental, ya que se consultaron numerosos libros, tesis, artículos científicos, conferencias y seminarios acerca del tema en estudio.
3.7.2. instrumentos
Según Hernández Sampieri, et al. (2014) “las fichas de observación es un recurso que utiliza el investigador para registrar información o datos sobre las variables que tiene en mente”(pág. 199).
Por lo que el instrumento de recopilación de datos, análisis y registro se realizara mediante fichas de observación.
3.8. Técnicas de análisis y procesamiento de datos
De acuerdo con Mallma (2010), “las técnicas de análisis de datos son herramientas que utilizaremos para seleccionar, organizar, describir y analizar datos recogidos con antelación con los instrumentos de investigación”.
Bajo esa descripción, la organización de datos se realizará mediante hojas de cálculo de Microsoft Excel 2019.
El análisis de estos datos se realizará mediante softwares como SEISMOMATCH y Microsoft Excel 2019.
El procesamiento de datos se hará uso del software de cálculo estructural ETABS y se complementará mediante hojas de cálculo desarrollados en Microsoft Excel 2019, además la muestra de resultados mediante tabulaciones y graficas desarrolladas de igual forma en Excel.
3.9. Procedimiento metodológico
El presente trabajo es netamente realizado con propósitos académicos, por lo que la edificación proyectada no será necesariamente construida al menos en el corto plazo, aun así, se proyecta la estructura de la manera más real posible.
Para evaluar el comportamiento sísmico de un edificio alto con sistema estructural no convencional aplicando el diseño basado por desempeño, seguiremos la siguiente metodología con la finalidad de cumplir los objetivos planteados en la presente investigación:
1. Planteamiento arquitectónico general del edificio alto, numero de niveles, altura, uso del edificio.
2. Estructuración del sistema no convencional, identificación y dimensionamiento de los elementos resistentes.
3. Modelamiento estructural en el software de cálculo estructural ETABS.
4. Metrado de cargas gravitatorias según la N.T.E E.020 Cargas, con la finalidad de estimar el peso de la edificación.
5. Análisis dinámico por métodos lineales según la N.T.E. E.030 Diseño sismorresistente, la estructura deberá cumplir con los requisitos de rigidez, resistencia y ductilidad solicitados por la referida norma.
6. Análisis el comportamiento sísmico del edificio alto.
7. Diseño de los elementos estructurales a nivel de los códigos de diseño aplicado la N.T.E E.60 Concreto Armado.
8. Verificación del desempeño estructural a niveles de sismo de servicio (SLE) y máximo considerado (MCE).
CAPITULO IV
4. ANÁLISIS Y DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN 4.1. Descripción general del edificio alto
En la actualidad en nuestro país no existen precedentes de un edificio construido con sistema diagrid, por lo que abordaremos el comportamiento sísmico de un edificio alto con sistema estructural no convencional desde una perspectiva netamente académica.
El proyecto estará ubicado en el distrito de San Borja, provincia y departamento de Lima, que corresponde a una zona de alto peligro sísmico. Consiste en una edificación de 48 niveles sobre el nivel del terreno y 5 sótanos; el uso será locales comerciales, oficinas y viviendas multifamiliares contemplando además zonas de estacionamientos en los sótanos, la altura típica de entre piso típico para la torre es de 4.50m, mientras que para los sótanos la altura es de 4.00m. Se usará concreto armado de alta resistencia en todos los elementos estructurales de la edificación, el sistema resistente a las cargas sísmicas y cargas gravitacionales se compone principalmente por el diagrid además de un núcleo central que lo conforma la caja de ascensores.
Figura 39
Vista arquitectónica del edificio alto con sistema diagrid propuesto
Nota: Extraído de VRay v2020–Elaboración Propia.
La edificación tiene un área en las plantas típicas de la torre de 1418.80m2 y un área en planta de 5277.10m2 en los sótanos.
Para un edificio alto, la esbeltez es fundamental como parámetro ingenieril y condiciona los efectos relacionados con la acción de las fuerzas horizontales sobre el edificio (viento
planta típica, si esta relación es mayor que cinco, entonces el edificio puede considerarse alto (The Concrete Centre and Fédération Internationale du Béton [MPA-FIB], 2014).
Para el proyecto en estudio la esbeltez está dada por:
= ℎ =
216 34.90
= 6.19
La relación de esbeltez condiciona el comportamiento real del edificio y la del sistema estructural y de estabilidad a emplearse.
4.2. Normatividad
La base de diseño de todos los elementos que conforman la estructura se regirá bajo los parámetros dados de las normas técnicas actuales del Reglamento Nacional de
Edificaciones (R.N.E.), siendo las siguientes:
N.T.E. E.020 cargas.
N.T.E. E.030 Diseño Sismorresistente.
N.T.E. E.050 Suelos y Cimentaciones.
N.T.E. E.060 Concreto armado
El diseño de la estructura se complementará con sus similares de los códigos internaciones como se enumera a continuación:
American Society of Civil Engineers (ASCE 7-16)
Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-19)
American Society of Civil Engineers (ASCE/SEI 41-17) 4.3. Descripción de los componentes estructurales
El proyecto en estudio es un edificio alto en el cual aplicaremos el sistema no convencional diagrid (columnas diagonales en forma de rejillas que conforman la fachada exterior); este sistema tiene las principales características de aportar una alta rigidez y resistencia a la estructura permitiendo reducir la cantidad de materiales aumentando la eficiencia estructural, la posibilidad de tener grandes luces generando áreas más diáfanas y libres de obstáculos, mejorar la estética arquitectónica del edificio ya que la red diagonal crea patrones visuales atractivos en la fachada del mismo y, además la configuración diagonal del diagrid proporciona una mayor resistencia a los movimientos telúricos, ya que disipa las fuerzas laterales generadas de manera óptima, lo que mejora la seguridad estructural. La estructura también posee un núcleo interno el
cual lo conforman la caja de ascensores y escaleras que funciona como una gran columna central que soporta principalmente las cargas gravitatorias.
Figura 40
Estructuración de edificio alto con sistema diagrid y núcleo central (planta y elevaciones)
(Planta típica de la Torre)
(Elevación lateral) (Elevación Frontal) Nota: Extraído de AutoCAD v2022 - Elaboración propia.
4.3.1. Columnas
Las columnas pertenecen al sistema resistente a cargas gravitacionales,
Columnas primarias, las cuales resisten las cargas provenientes de los elementos superiores diagrid, estas columnas se caracterizan por tener una gran capacidad de
Columnas secundarias, las cuales resisten las cargas provenientes solo de los niveles subterráneos (sótanos), por su característica estas columnas serán
diseñadas principalmente para resistir cargas axiales en menor proporción que las columnas primarias.
4.3.2. Diagrid
Los elementos diagrid responden principalmente a esfuerzos axiales de tracción y compresión, y por la distribución geométrica que presenta (diagonales) tienen un alto rendimiento para resistir tanto las cargas gravitaciones y cargas sísmicas.
4.3.3. Vigas collar
Este elemento estructural es parte del sistema diagrid, consta de una viga perimetral a que rodea a las losas de todos los niveles superiores y tiene por característica principal el estar sujeto a esfuerzos axiales de compresión y tracción.
4.3.4. Vigas principales
Las vigas principales vienen a ser elementos que unidas a las columnas o muros
proporcionan flexibilidad a la estructura. Las vigas principales forman parte del sistema primordial de la estructura del edificio y resisten tanto las cargas laterales y cargas gravitacionales.
4.3.5. Vigas y losas postensadas
Las vigas y losas con sistema postensado nos ayudan a salvar grandes luces sin la necesidad de tener grandes dimensiones en su sección transversal, estos elementos soportan y transfieren únicamente cargas gravitatorias hacia los elementos perimetrales creando grandes espacios en el interior del edificio que serán aprovechados con fines arquitectónicos. Sísmicamente no tienen aporte al sistema principal resistente a fuerzas laterales (sin responsabilidad sísmica), por lo que su aplicación y consideración en la presente investigación es solo estudiada de forma parcial, donde no se profundizará en su diseño.
4.3.6. Núcleo central
El núcleo central lo conforman los elementos placa o muros de corte de la caja de ascensores y escaleras. El núcleo central es el pilar fundamental de la estructura de un edificio alto, ya que resiste en mayor porcentaje las cargas de gravedad y en colaboración con el sistema diagrid proporcionan la suficiente estabilidad global a la edificación.
4.3.7. Diafragmas
En una estructura típica las losas son elementos estructurales considerados diafragmas encargadas de unir a todos los elementos verticales a nivel de su plano horizontal, y que según su condición rígida o semirrígida ocasionan que estos se desplacen
horizontalmente en forma conjunta o no; hay que considerar entonces que un diafragma rígido anulara los esfuerzos que se pudieran ocasionar en su plano por no experimentar deformación; caso contrario, un diafragma semirrígido considerará la rigidez real de losa en función a su geometría y tomará en cuenta los esfuerzos y deformaciones que se pudieran generar en el plano de la misma.
Para el edificio de la presente tesis se deberá tener especial cuidado en el análisis de las fuerzas internas que actúan sobre las losas, ya que por el principio de equilibrio y estabilidad si consideramos un diafragma rígido que anula fuerzas en el plano de la misma, se podría generar una falsa estabilidad que ocasionaría el colapso de todo el sistema diagrid.
El tipo de losas usadas en el proyecto se describen a continuación:
Los sótanos sirven de un podio para todo el edificio, es por ello que las losas en los sótanos deberán ser macizas de 35cm de espesor para el caso del primer podio y 20 cm para el resto, las cuales deberán soportar los esfuerzos a causa del efecto Backstay que se producen sobre ellas.
Las losas en los niveles superiores serán del tipo aligerado postensado de 35cm de espesor, estas serán las encargadas de transmitir solamente cargas gravitatorias hacia las vigas perimetrales y posteriormente hacia las columnas y elementos diagrid en el perímetro del edificio.
Losas macizas en los niveles superiores, que rodean perimetralmente al núcleo central asegurando la transferencia de esfuerzos en su plano horizontal hacia entre los elementos verticales.
4.4. Proceso de diseño de un edificio alto
El PEER (2017) afirma que las disposiciones de los códigos de construcción establecen los requisitos mínimos de resistencia para cualquier edificio usando un sismo de diseño (DE). Pero para el caso de un edificio alto, estas directrices no son necesariamente compatibles para un diseño orientado por desempeño, en su lugar se utilizarán dos enfoques de diseño para la comprobación de la capacidad de servicio para los efectos
En la experiencia sobre el diseño de edificios altos, muchos ingenieros utilizan un SLE para establecer un diseño preliminar de la resistencia de la estructura para su posterior evaluación frente a un MCE. No obstante, al no existir una pauta general para este tipo de estructuras, también es válido iniciar con un diseño preliminar del edificio alto utilizando métodos lineales referidos en los códigos de diseño con un DE.
Cuando las relaciones de demanda a capacidad determinadas a partir de dicho análisis lineal superan los límites niveles aceptables de las evaluaciones ante SLE y MCE, la estructura debe ser rediseñada. (p. 80)
4.5. Análisis y diseño de acuerdo a los requisitos de la N.T.E. E.030-2019 4.5.1. Modelamiento estructural
En concordancia con el artículo 25 de la N.T.E. E.030, el modelo matemático deberá representar de la forma más exacta posible la estructura real, donde se considere la distribución espacial de masas y rigideces, a fin de garantizar las propiedades dinámicas de la estructura.
Adicionalmente, el PEER (2017) sugiere:
Debido a que el objetivo del modelo matemático es representar de forma más exacta a la estructura real, este debe estimar de forma confiable la respuesta sísmica, por lo que es importante identificar qué elementos resistentes representan al modelo analítico y verificar que su comportamiento será aceptable. Todos los componentes y elementos del sistema de resistencia a las cargas de gravedad que contribuyen significativamente a resistir la fuerza lateral y aporten rigidez deben incorporarse explícitamente en el modelo, incluso si su falla no pusiera en peligro a la estabilidad del edificio. La decisión sobre qué componentes incluir en el modelo estructural y definir su comportamiento requiere conocimiento y juicio de ingeniería. (p. 41)
La figura 41 muestra el modelo matemático con podio desarrollado en el Software Etabs v20.3.0
Figura 41
Modelamiento estructural en el software Etabs v20.3.0
(a) (b) (c) Nota: Extraído de Integrated Analysis and Design of Building Systems (ETABS).
4.5.2. Características de los materiales:
Concreto
Se considera un concreto de alta resistencia. La resistencia a la compresión del concreto y su módulo de elasticidad computados mediante la ecuación (2) se detallan en la tabla 1 considerando una densidad normal de 2400kg/m3 para los elementos estructurales.
Tabla 1
Resistencias del concreto utilizados en el proyecto
f´c (kg/cm2) Ec (kg/cm2) μ Gc(kg/cm2)
350 268730.42 0.20 111971.01
500 307468.35 0.20 128111.81
650 340712.55 0.20 141963.56
800 370295.03 0.25 148118.01
Nota: Elaboración propia
La figura 42 muestra la resistencia del concreto y su ubicación en cada elemento estructural hacia la altura del edificio.
Figura 42
Variación de la resistencia del concreto hacia la altura del edificio
Nota: Extraído de Integrated Analysis and Design of Building Systems (ETABS).
Acero de refuerzo
El acero de refuerzo será corrugado A-615 grado 60, tienen las siguientes características:
Resistencia la fluencia fy=4,200kg/cm2
Esfuerzo mínimo de tensión fu=6,300kg/cm2
Módulo de elasticidad de Es=2,039,000 kg/cm2 4.5.3. Dimensiones de los elementos
Las dimensiones de todos los elementos estructurales, resistencia del concreto y su ubicación se describen en las tablas 2 hasta la tabla 6. Todos los elementos estructurales fueron dimensionados de la forma más óptima posible y se modelo teniendo en
consideración sus secciones no agrietadas.
Tabla 2
Cuadro columnas
Columna Dimensiones f´c (kg/cm2) Desde Hasta
Cst-1 90cm x 200cm 800 S-5 S-1
Cst-2 130cm x 130cm 800 S-5 S-1
Cst-3 100cm x 140cm 800 S-5 S-1
Cst-4 80cm x 80cm 350 S-5 S-1
CT-1 100cm x 140cm 650 Piso 1 Piso 9
CT-2 100cm x 140cm 500 Piso 10 Piso 18
CT-3 90cm x 130cm 500 Piso 19 Piso 27
CT-4 90cm x 120cm 500 Piso 28 Piso 39
CT-5 90cm x 110cm 350 Piso 40 Piso 48
Nota: Elaboración propia
Tabla 3
Cuadro diagrid
Diagrid Dimensiones f´c (kg/cm2) Desde Hasta
D-1 90cm x 90cm 800 Piso 01 Piso 06
D-2 90cm x 90cm 800 Piso 01 Piso 06
D-3 90cm x 90cm 800 Piso 03 Piso 09
D-4 90cm x 90cm 650 Piso 10 Piso 18
D-5 90cm x 90cm 650 Piso 10 Piso 18
D-6 80cm x 80cm 650 Piso 19 Piso 27
D-7 80cm x 80cm 500 Piso 19 Piso 27
D-8 85cm x 85cm 650 Piso 28 Piso 33
D-9 70cm x 70cm 500 Piso 34 Piso 39
D-10 70cm x 70cm 350 Piso 40 Piso 48
Nota: Elaboración propia
Tabla 4 Cuadro Muros
Muros Dimensiones f´c (kg/cm2) Desde Hasta
Nct-50A E=50cm 650 S-5 Piso 9
Nct-50B E=50cm 650 Piso 10 Piso 27
Nct-40A E=40cm 500 Piso 28 Piso 39
Nct-40B E=40cm 500 Piso 40 Piso 48
Nota: Elaboración propia
Tabla 5
Cuadro vigas de acople
Vigas Dimensiones f´c (kg/cm2) Desde Hasta
V-acop-1 50cm x 130cm 800 S-5 Piso 09
V-acop-2 50cm x 130cm 650 Piso 10 Piso 27
V-acop-3 40cm x 130cm 500 Piso 28 Piso 39
V-acop-4 40cm x 130cm 350 Piso 40 Piso 48
Nota: Elaboración propia
Tabla 6
Cuadro de vigas
Vigas Dimensiones f´c (kg/cm2) Desde Hasta
VP-1 50cm x 80cm 350 Piso 1 Piso 29
VP-2 40cm x 70cm 350 Piso 31 Piso 47
Vst-1 50cm x 80cm 350 Sótano 2 Sótano 4
Vst-2 50cm x 80cm 350 Sótano 1
Vst-3 60cm x 120cm 500 Sótano 1
VA-1 50cm x 100cm 650 Sótano 6 Piso 9
VA-2 50cm x 100cm 650 Piso 10 Piso 27
VA-3 40cm x 100cm 500 Piso 28 Piso 39
VA-4 40cm x 100cm 500 Piso 40 Piso 48
VN-1 50cm x 100cm 650 Piso 1 Piso 9
VN-2 50cm x 80cm 650 Piso 10 Piso 27
VN-3 40cm x 80cm 500 Piso 28 Piso 39
VN-4 40cm x 80cm 350 Piso 40 Piso 48
Nota: Elaboración propia
4.5.4. Cargas gravitacionales 4.5.4.1. Carga muerta
Peso propio, es el peso de todos los elementos estructurales y que resulta del producto de las dimensiones geométricas y el peso específico de cada material, se evalúa
directamente en el mismo software de análisis estructural. La Tabla 7 muestra el resumen correspondiente a cargas por peso propio utilizados.
Tabla 7 Peso Propio
Ubicación Descripción Carga
(kg/m2) Observación
Sótanos Losa maciza 25 cm 600.00
Podio Losa maciza 35 cm 840.00
Torre Losa maciza 25 cm 600.00 Concreto ligero (1.80kg/m3) Torre Losa postensada 35cm 370.80 Concreto ligero (1.80kg/m3) Nota: Fuente, N.T.E. E.020
Las cargas por peso propio provenientes de diversos los elementos estructurales
(columnas, diagrid, vigas, muros, etc.) se computo con una carga unitaria de 2400kg/m3.
Cargas permanentes, es el peso de todos los elementos no estructurales, dispositivos de servicio, instalaciones, equipos, etc. que son parte de la edificación y permanecen
durante toda la vida útil de la edificación. La Tabla 8 muestra el resumen correspondiente a cargas por peso de las cargas muertas consideradas.
Tabla 8
Carga permanente
Descripción Carga
(kg/m2) Observación
Piso terminado 100.00 Carga promedio estimada
Cielo raso 30.00 Carga promedio estimada
Peso de Instalaciones 30.00 Carga promedio estimada
Cristal e=10cm 60.00 Fachada de Vidrio
Nota: Fuente, N.T.E. E.020
Los edificios altos con fachadas de vidrio deben garantizar la estanqueidad, aislamiento acústico y térmico, entre otras exigencias de las normativas vigentes. Las fachadas ligeras tienen un peso aproximado entre 50 a 70 kg/m2, donde el espesor de los cristales es de 10cm en promedio (esta estimación del peso comprende la estructura metálica resistente, cristales y de materiales adicionales usados).