UNIVERSIDAD ESTATAL DEL SUR DE MANABÍ FACULTAD DE CIENCIAS TÉCNICAS
CARRERA INGENIERÍA CIVIL PROYECTO DE TITULACIÓN
Previo a la obtención del título de INGENIERO CIVIL
TÍTULO:
“Diseño estructural sismo-resistente de un edificio de 5 pisos de hormigón armado ubicado en el cantón Puerto López”
AUTOR:
Quimiz González Angie Roxana
TUTOR DE PROYECTO TITULACIÓN:
Ing. Erik Gabriel Villavicencio Cedeño Mg. Sc.
JIPIJAPA – MANABÍ – ECUADOR 2023
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR
CERTIFICACIÓN APROBACIÓN
AUTORIZACIÓN DE DERECHO DE PUBLICACIÓN
CERTIFICADO DE ANÁLISIS DE PLAGIO
Dedicatoria
Dedico este trabajo principalmente a Dios, por haber permitido llegar hasta este punto, darme salud, brindarme fuerzas, paciencia y mucha dedicación para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor.
A mi padre Hugo Quimiz Rodríguez por los ejemplos de perseverancia y constancia que lo caracterizan y que me han influenciado siempre por el valor mostrado para salir adelante.
A mi madre Olga González Figueroa por poner en mi toda su fé y confianza de ver este gran sueño hecho realidad.
A mis hermanas/os Anyeli Quimiz y Geovanny Quimiz porque son la razón de sentirme tan orgullosa de culminar esta meta y seguiré siendo una guía para ellos en su futuro.
A todas aquellas personas que formaron parte de este importante proceso universitario, para poder alcanzar y perseverar este gran sueño de ser una profesional, a mis maestros que me brindaron conocimientos que adquirí en el transcurso de mi vida estudiantil.
A la Universidad Estatal del Sur de Manabí (UNESUM) por permitirme lograr dar un paso fundamental hacia el éxito y poder cumplir el sueño de obtener mi título universitario. Por convertirme en una profesional competitiva llena de conocimientos y expectativas.
Quimiz González Angie Roxana.
Reconocimiento
Al finalizar este arduo trabajo y lleno de dificultades como fue el desarrollo de mi carrera y de mi tesis, es inevitable que me permita concentrar la mayor parte de mis méritos en el aporte que eh hecho. Sin embargo, el objetivo muestra inmediatamente la magnitud de aportes que hubiese sido imposible sin la participación de las personas y cursos que me han facilitados los conocimientos para que mi tesis llegue a un feliz término. Para mi es un verdadero placer ocupar este espacio para ser justa y consciente con las personas, expresándoles mis agradecimientos.
A mi familia por su apoyo incondicional en especial a mis padres y a mis hermanos que siempre son mi inspiración para seguir adelante.
A mi centro de estudio, la Universidad Estatal del Sur de Manabí (UNESUM) que me brindó las condiciones necesarias para poderme formar como una gran profesional y de la cual estoy seguro de que la veré crecer cada día y formar buenos profesionales, a todo el Personal Docente y Administrativo, que fueron un importante apoyo en mi proceso de formación Académica.
A mi tutor el Ing. Erik Gabriel Villavicencio Cedeño Mg. Sc. que me brindo su apoyo, confianza en mi trabajo y su capacidad para guiar mis ideas y haberme facilitado los medios suficientes para llevar a cabo todas las actividades y no solo en el desarrollo de mi tesis si no también en mi formación como estudiante.
A Andrés Loja, por su ayuda que ha sido muy fundamental en esta trayectoria, eh podido contar con su motivación y apoyo hasta donde sus alcances lo permiten.
Quimiz González Angie Roxana.
Índice
Resumen ... 19
Abstrac ... 20
Introducción ... 21
I. EL PROBLEMA DE LA INVESTIGACIÓN ... 24
1.1. Planteamiento del problema ... 24
1.2. Formulación del Problema ... 27
1.3. Justificación de la Investigación ... 27
1.4. Delimitación de la Investigación ... 30
1.5. Objetivos de la Investigación ... 31
1.5.1. Objetivo General ... 31
1.5.2. Objetivos Específicos ... 31
1.6. Hipótesis ... 32
II. MARCO TEÓRICO... 33
2.1. Antecedentes de la Investigación... 33
2.2. Fundamentos Teóricos ... 34
2.2.1. Sismos ... 34
2.2.2. Sismicidad de Ecuador. ... 35
2.2.3. Vulnerabilidad Sísmica ... 37
2.2.4. Edificaciones Esenciales ... 38
2.2.4.1. Clasificación ... 38
2.2.5. Partes constitutivas de un edificio ... 40
2.2.6. Sistemas Estructurales. ... 40
2.2.6.1. Losas. ... 41
2.2.6.1.1. Tipos de losas. ... 41
2.2.6.2. Vigas. ... 43
2.2.6.3. Columnas. ... 43
2.2.6.4. Muros. ... 43
2.2.6.5. Cimentaciones. ... 44
2.2.6.5.1. Clasificación de las cimentaciones. ... 44
2.2.6.5.1.1. Cimentaciones Superficiales ... 44
2.2.6.5.1.1.1. Cimentaciones ciclópeas. ... 45
2.2.6.5.1.1.2. Zapatas. ... 45
2.2.6.5.1.1.3. Losas de Cimentación. ... 47
2.2.6.5.1.2. Cimentaciones Semiprofundas. ... 48
2.2.6.5.1.2.1. Pozos de cimentación o caissons. ... 48
2.2.6.5.1.3. Cimentaciones profundas. ... 48
2.2.7. Análisis Lineal ... 49
2.2.7.1. Fisiología de Diseño Sismorresistente. ... 49
2.2.7.1.1. Zonas sísmicas y factor de zona (Z). ... 49
2.2.7.1.2. Tipos de perfiles de suelos para el diseño sísmico. ... 51
2.2.7.1.3. Coeficientes de perfil de suelo Fa, Fd y Fs. ... 52
2.2.7.1.4. Categoría de edificio y coeficiente de importancia I... 54
2.2.7.1.5. Factor de reducción de resistencia sísmica R. ... 55
2.2.7.1.6. Coeficiente de regularidad en planta ϕP y elevación ϕE. ... 56
2.2.7.1.7. Cargas sísmicas reactivas o peso sísmico W. ... 59
2.2.7.1.8. Determinación del periodo de vibración T. ... 60
2.2.7.1.9. Cortante Basal de diseño. ... 61
2.2.7.1.10. Espectro elástico horizontal de diseño en aceleraciones. ... 61
2.2.7.1.11. Límites permisibles de las derivas de pisos. ... 63
2.3. Operacionalización de variables ... 65
III. Marco Metodológico ... 66
3.1. Tipo y Diseño de la Investigación ... 66
3.2. Enfoque de la Investigación ... 66
3.3. Población y Muestra ... 67
3.4. Técnicas de Recolección de Información ... 67
3.5. Instrumentos de Recolección de Información ... 67
IV. RESULTADOS ... 68
4.1.1. Modelos utilizados ... 68
4.1.2. Descripción de la estructura analizada... 68
4.1.2.1. Geometría de la estructura ... 68
4.2. Objetivo N°1... 70
4.3. Objetivo N°2... 71
4.4. Objetivo N°3...1
4.4.1. Pre-dimensionamiento estructural ...1
4.4.1.1. Losa. ...1
4.4.1.2. Columnas. ...4
4.4.1.3. Vigas. ...6
4.4.1.4. Vista en planta. ...7
4.4.1.5. Vista en Elevación ...8
4.4.2. Análisis de cargas verticales ...8
4.4.2.1. Estimación de cargas distribuidas. ...8
4.4.2.1.1. Carga muerta (D)...8
4.4.2.1.2. Carga viva (L). ...9
4.4.3. Cargas sísmicas de la estructura ...9
4.4.3.1. Carga sísmica estática. ... 10
4.4.3.2. Carga sísmica dinámica según el espectro de aceleraciones. ... 10
4.5. Modelación estructural en ETABS 20.3.0 ... 15
4.5.1. Propiedades de los Materiales ... 15
4.5.2. Definición de secciones. ... 15
4.5.3. Definir patrones de cargas estáticas. ... 19
4.5.4. Espectro sísmico de diseño. ... 21
4.5.5. Casos de carga para el espectro sísmico de diseño. ... 22
4.5.6. Combinaciones de carga. ... 24
4.5.7. Aplicación del diafragma rígido. ... 25
4.5.8. Asignación de brazo rígido. ... 26
4.5.9. Asignación de casos modales. ... 27
4.6. Verificaciones para garantizar el diseño sismo resistente. ... 28
4.6.1. Verificación de torsión. ... 28
4.6.2. Verificación de derivas. ... 29
4.6.3. Diseño de elementos estructurales. ... 32
4.6.4. Desplazamientos ... 33
4.6.5. Fuerza Cortante ... 35
4.6.6. Diseño de cimentaciones. ... 38
4.6.6.1. Prediseño de zapata céntrica. ... 38
4.6.6.2. Modelamiento de la cimentación en el Software SAFE 20.3.0. ... 39
4.6.6.2.1. Importar las cargas al programa SAFE 20.3.0. ... 39
4.6.6.2.2. Crear materiales ... 39
4.6.6.2.3. Crear la losa de la zapata. ... 42
4.6.6.2.4. Definir el tipo de suelo para las zapatas. ... 43
4.6.6.2.5. Crear las combinaciones de carga. ... 44
4.6.6.2.6. Dibujar la cimentación en el programa. ... 44
4.6.6.2.7. Asignar el suelo a la cimentación... 45
4.6.6.3. Revisión si cumple el modelo con las dimensiones propuestas. ... 45
4.7. Ejecutar un presupuesto estructural del proyecto, y cronograma valorizado. .. 49
V. CONCLUSIONES ... 51
VI. Recomendaciones ... 52
VII. REFERENCIAS... 53
VIII. ANEXOS ... 59
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Proceso de subducción entre la placa oceánica de Nazca y la placa continental
... 35
Figura 2 Sismos registrados en el siglo xx y xxi en la Costa Norte del Ecuador... 37
Figura 3 Losa plana y sus elementos ... 42
Figura 4 Losa nervada o alivianada ... 43
Figura 5. Tipos de Zapatas Aisladas... 46
Figura 6 Zapata Corrida ... 47
Figura 7 Zonas sísmicas para propósitos de diseño y valor del factor de zona Z del Ecuador ... 50
Figura 8 Tipo de uso, destino e importancia de la estructura ... 55
Figura 9 Coeficiente de Reducción de Respuesta Estructural R ... 56
Figura 10 Configuraciones estructurales recomendadas ... 57
Figura 11 Configuraciones estructurales no recomendables ... 57
Figura 12 Coeficiente de Irregularidad en Planta... 58
Figura 13 Coeficientes de irregularidad en elevación ... 59
Figura 14 Espectro elástico horizontal de diseño en aceleraciones... 62
Figura 15 Vista 3D del Edificio en Análisis ... 69
Figura 16 Mapa de Zonificación ... 69
Figura 17 Detalle de la ubicación de los puntos de exploración ... 70
Figura 18 Detalle de la vista en planta del nivel +3.5 m ... 72
Figura 19 Espesor Mínimo para Losas Alivianadas ...2
Figura 20 Vista en Planta de la Estructura ...7
Figura 21 Vista en Elevación ...8
Figura 22 Grafica del Espectro Elástico e Inelástico Suelo Tipo D ... 14
Figura 23 Propiedades de la Sección de las Vigas ... 16
Figura 24 Propiedades de la Sección de la Columna ... 17
Figura 25 Propiedades del Acero de Refuerzo de la Columna ... 18
Figura 26 Propiedades de la Losa ... 19
Figura 27 Asignación de Patrones de Carga Estática ... 20
Figura 28 Modificación del Cortante Basal, en la Carga Lateral por Sismo en X ... 20
Figura 29 Modificación del Cortante Basal, en la Carga Lateral por Sismo en Y ... 21
Figura 30 Configuración Espectro de Aceleración ... 22
Figura 31 Configuración del Espectro de Diseño con Respuesta en X ... 23
Figura 32 Configuración del Espectro de Diseño con Respuesta en Y ... 24
Figura 33 Combinaciones de Carga ... 25
Figura 34 Aplicación de diafragma Rígido al Edificio... 26
Figura 35 Asignación de Brazo Rígido ... 27
Figura 36 Asignación de Casos Modales ... 28
Figura 37 Derivas de Piso Sd_x ... 30
Figura 38 Derivas de Piso Sd_y ... 31
Figura 39 Vista en 3d Diseño de Elementos ... 32
Figura 40 Vista en Planta Diseño de Elementos ... 33
Figura 41 Desplazamiento Sd_x ... 34
Figura 42 Desplazamiento Sd_y ... 35
Figura 43 Fuerza Cortante Sd_x ... 36
Figura 44 Fuerza Cortante Sd_y ... 37
Figura 45 Importar Cargas en Safe ... 39
Figura 46 Creación del Hormigón ... 40
Figura 47 Creación del Acero de Refuerzo ... 41
Figura 48 Creación de la Losa de zapata. ... 42
Figura 49 Crear el Tipo de Suelo ... 43
Figura 50 Crear el Tipo de Suelo ... 44
Figura 51 Dibujo de la Cimentación ... 44
Figura 52 Asignación del Suelo a la Cimentación ... 45
Figura 53 Verificación de las Presiones con la Combinación CM+CV ... 46
Figura 54 Chequeo por Punzonamiento ... 47
Figura 55 Diseño del Acero de la Cimentación ... 48
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Valores del factor Z en función de la zona sísmica adoptada ... 50
Tabla 2 Clasificación de los perfiles de suelo ... 51
Tabla 3 Tipo de suelo y factores de sitio Fa... 53
Tabla 4 Tipo de suelo y Factores de sitio Fd ... 53
Tabla 5 Tipo de suelo y factores del comportamiento inelástico del subsuelo Fs ... 54
Tabla 6 Carga sísmica relativa: caso general y especial ... 60
Tabla 7 Coeficientes Ct en Función del Tipo de Estructuras ... 60
Tabla 8 Valores de M máximos, expresados como Fracción de la Altura de Piso ... 64
Tabla 9 Operacionalización de Variables ... 65
Tabla 10 Coordenadas de los puntos de exploración... 70
Tabla 11 Ecuaciones para el prediseño ...1
Tabla 12 Espesores de Losa Equivalentes ...4
Tabla 13 Secciones de los Elementos Estructurales de la Edificación ...7
Tabla 14 Valores de la Sobrecarga Muerta ...9
Tabla 15 Valores de la Sobrecarga Viva ...9
Tabla 16 Datos Necesarios Para el Espectro Elástico de Aceleraciones ... 11
Tabla 17 Valores de la Gráfica Para el Espectro Elástico e Inelástico ... 12
Tabla 18 Combinaciones Dinámicas ... 14
Tabla 19 Participaciones Modales ... 29
Tabla 20 Derivas de Piso Sd_x... 30
Tabla 21 Derivas de Piso Sd_y... 31
Tabla 22 Desplazamiento Sd_x ... 33
Tabla 23 Desplazamiento Sd_y ... 34
Tabla 24 Fuerza Cortante Sd_x ... 35
Tabla 25 Fuerza Cortante Sd_y ... 36
Tabla 26 Presupuesto de obra... 49
Resumen
Al ser el Ecuador un país de alto peligro sísmico se genera la necesidad de mejorar el conocimiento en lo que se refiere al diseño sismo-resistente de estructuras. La presente investigación tuvo como objetivo diseñar una estructura sismo-resistente de un edificio de 5 pisos de hormigón armado en el rango lineal, ubicado en el cantón Puerto López, para lo cual se determinó las características físicas mecánicas del suelo mediante el estudio del SPT, así mismo se realizó una planificación arquitectónica del edificio y la modelación dinámica en el software ETABS. Se utilizó el diseño experimental y el enfoque de tipo cuantitativo, ya que los datos analizados son cuantificables, mientras que el nivel de investigación es de tipo aplicativa. La población y muestra fue el edificio de 5 pisos en el cantón Puerto López. Los resultados demostraron que este diseño estructural es óptimo, cumpliendo los parámetros establecidos por la normativa ecuatoriana de la construcción vigente (NEC-SE-DS, 2015): derivas las cuales no superaron el 2 %; la torción que no superó el 30 %; y el diseño de los elementos estructurales fue el adecuado. Una vez obtenido los resultados antes mencionados, se concluyó que se obtuvo una correcta distribución de los espacios de la vivienda, lo cual busca funcionalidad y un buen aspecto estético y visual, además el correcto prediseño ayudó a obtener una aproximación de los elementos estructurales, la cual se le dio a la edificación con la finalidad de no realizar múltiples procesos iterativos, de esta manera se lograría reducir al máximo el riesgo que corren todas las edificaciones de sufrir daños ante estos desastres naturales.
Palabras claves: Estructura, sismo-resistente, hormigón armado, SPT, ETABS.
Abstrac
Since Ecuador is a country with a high seismic hazard, there is a need to improve the knowledge on earthquake-resistant design of structures. The objective of this research was to design a seismic-resistant structure of a 5-story reinforced concrete building in the linear range, located in the canton of Puerto Lopez, for which the physical mechanical characteristics of the soil were determined by means of the SPT study, as well as the architectural planning of the building and the dynamic modeling in the ETABS software. The experimental design and the quantitative approach were used, since the data analyzed are quantifiable, while the research level is of the applicative type. The population and sample was the 5-story building in the canton of Puerto Lopez. The results showed that this structural design is optimal, complying with the parameters established by the Ecuadorian construction regulations in force (NEC-SE-DS, 2015): drifts which did not exceed 2 %; torsion which did not exceed 30 %; and the design of the structural elements was adequate. Once the aforementioned results were obtained, it was concluded that a correct distribution of the spaces of the house was obtained, which seeks functionality and a good aesthetic and visual appearance, also the correct pre-design helped to obtain an approximation of the structural elements, which was given to the building with the purpose of not performing multiple iterative processes, in this way it would be possible to reduce to the maximum the risk that all buildings suffer damage in the face of these natural disasters.
Keywords: Structure, earthquake-resistant, reinforced concrete, SPT, ETABS.
Introducción
A nivel mundial los sismos son los fenómenos naturales más temidos por la humanidad, debido al sin número de desastres naturales. Estos eventos sísmicos de gran magnitud generan grandes identidades en el suelo y provocan daños a las infraestructuras, o el colapso de las misma.
Uno de los países con mayor actividad sísmica en el mundo es México, ya que según datos estadísticos del Servicio Sismológico Nacional (SSN), se han registrado alrededor de 200 sismos anuales en la dos últimas décadas, con una magnitud superior a 4 en la escala sismológica de magnitud de momento (Mw) (Suárez et al., 2016).
El Ecuador está ligado a constantes eventos sísmicos debido a que se encuentra ubicado en el Cinturón de Fuego del Pacífico, esto se debe a la sismicidad interplaca inferior (placa Nazca) y por la sismicidad cortical (Placa Sudamericana), provocando algunos eventos sísmicos con baja atenuación debido a fallas geológicas, los estudios sísmicos son considerados con mayor énfasis en la Norma Ecuatoriana de la Construcción de Peligro Sísmico y Diseño Sismo Resistente (NEC- SE-DS, 2015), donde menciona que la mayor parte del territorio Ecuatoriano tiene un peligro sísmico alto y medio-alto, en especial en las regiones de la costa y sierra (Chininín & Duran Nicolás, 2022).
Si bien es cierto el Cantón Puerto López fue uno de los menos afectados en el terremoto del 16 de abril del 2016, sin embargo, hubo algunas viviendas que sufrieron daños irreparables, las cuales fueron demolidas y otras viviendas que tuvieron que ser reparadas, y sometidas a un análisis estructural para evitar su colapso. Es por consiguiente de suma importancia considerar la peligrosidad símica en el cantón al momento de construir, ya que se encuentra cera de algunas fallas geológicas, lo cual aumenta su peligrosidad (Quito & Torres, 2018). Es por eso que hoy en
día el diseño sismo resistente es una prioridad, ya que evita que las edificaciones se desplomen y por ende salvaguarda la vida de los habitantes ante eventos sísmicos catastróficos.
Para elaboración del presente proyecto se planteó un objetivo general, el cual fue de diseñar una estructura sismo-resistente de un edificio de 5 pisos de hormigón armado ubicado en el cantón Puerto López, para poder cumplir con este objetivo se planteó 3 objetivos específicos, el primero fue, determinar las características físicas mecánicas del suelo mediante el estudio, el segundo, realizar la planificación arquitectónica del edificio, y como ultimo objetivo, diseñar una modelación dinámica en el software ETABS del edificio de 5 pisos de hormigón armado.
Para poder cumplir con los objetivos de la presente investigación se usó la siguiente metodología: utilizó el diseño experimental, ya que este tipo de diseño es una técnica estadística que permite identificar y cuantificar las causas de un efecto dentro de un estudio experimental, y se utilizó un enfoque para cuantitativo. En cuanto a la identificación del comportamiento estructural de la edificación, se empleó la normativa NEC-SE-DS (2015). Se utilizo el método lineal espectral para el diseño de la edificación, la misma que fue constituida en el Cantón Puerto López, la cual corresponde una zona de peligrosidad sísmica alta tipo V según la NEC-SE-DS (2015). Y por último se generaron los resultados, lo mismos que serán de gran ayuda, tanto a nivel local como nacional, en el desarrollo de diseños de las estructurales sismorresistentes.
Para la consecución de los objetivos mencionados anteriormente se utilizó la siguiente metodología: para conocer el comportamiento estructural de un edificio de cinco niveles de hormigón armado se empleó la normativa, específicamente la Norma Ecuatoriana de la Construcción Nec-15. Para el diseño de la edificación sismo resistente se empleó el método lineal espectral, el mismo que fue construido en el Cantón Puerto López correspondiente a una zona de peligrosidad sísmica alta tipo VI según la NEC-15, la edificación es de uso familiar, según el
estudio de suelo es de tipo D (NEC-SE-DS, 2015). Finalmente, se generaron una serie de resultados, derivas las cuales no superaron el 2 %; la torción que no superó el 30 %; y el diseño de los elementos estructurales fue el adecuado como que aportarán al desarrollo de los diseños de las edificaciones para la determinación del comportamiento estructural de las mismas a nivel local y nacional.
I. EL PROBLEMA DE LA INVESTIGACIÓN 1.1. Planteamiento del problema
A nivel global los sismos son los fenómenos naturales más desbastadores que la humanidad ha presenciado, los daños tales como pérdidas humanas o materiales, dependen de la magnitud e intensidad del sismo. Los sismos liberan energía en el interior de la tierra, la cual causa la ruptura de las capas de la corteza, cuya ruptura se manifiesta como movimientos ondulatorios que causas diferentes magnitudes, asimismo, cuando el sismo es de gran magnitud y mayor intensidad se denominan terremotos, por otro lado, si tanto la magnitud como intensidad son leves se los denomina temblores (INDECI, 2018).
En muchos países las normas para el diseño Sismo-resistente no son aplicadas en construcciones informales, lo cual repercute en elevar la vulnerabilidad de las estructuras. Al estudiar el comportamiento de edificaciones luego de un evento sísmico, se puede afirmar que cuando se toman en cuenta las normas de diseño sismo-resistente, la construcción es debidamente supervisada y el sismo de diseño representa la amenaza sísmica real de la zona, los daños son considerablemente menores que en los casos en los cuales no se cumplen los requerimientos mínimos indispensables para tal fin. Sin embargo, es importante señalar que las normas sismo- resistentes por sí solas no pueden garantizar la inexistencia de daños ante un terremoto severo, en ellas se establecen requisitos mínimos para proteger la vida de las personas que ocupan la edificación. El daño severo o el colapso de un gran número de estructuras durante sismos de alta intensidad, se debe a la falla de uno o varios elementos cuya ductilidad y resistencia no son suficientes (Blanco, 2012).
Contribuciones importantes al diseño sismo-resistente de la mampostería tienen lugar en los Estados Unidos y en Nueva Zelanda a finales del siglo XX. En esa época aparecen importantes
publicaciones relacionadas a la mampostería hueca reforzada de bloques de concreto. Por otro lado, también se menciona el uso de la mampostería en el continente americano, caracterizado por disimiles técnicas constructivas y utilizándose con éxito en edificios de viviendas multifamiliares de altura media (hasta 5 ó 6 pisos) de muros de 120 a 240 mm de espesor, de mampostería confinada o con refuerzo interior, diseñados y construidos atendiendo a normas propias que recopilan las investigaciones y experiencias acumuladas. Actualmente continúan las investigaciones de la mampostería reforzada para una mejor comprensión de su desempeño sísmico estructural, basado en la modelación numérica aparejado con los avances tecnológicos de la computación y de los laboratorios de materiales. Investigaciones recientes realizadas confirman el buen comportamiento sísmico de la mampostería hueca reforzada, apuntando las tendencias actuales al uso de la tecnología del pretensado, así como el uso de la fibra de carbono para aumentar su capacidad ante cargas laterales (Álvarez et al., 2021).
Actualmente, el mundo está siendo testigo de las catástrofes que puede desatar un evento sísmico fuerte, como lo es, el terremoto de 7,8 grados en la escala de Richter que azotó a Turquía y Siria, cuyo desastre provocó el colapso de más de 600 edificaciones, 769 muertos y alrededor de 1500 heridos (ONU, 2023).
El Ecuador todo el tiempo está expuesto a sismo de naturaleza; volcánica y tectónica, por lo tanto, tiene un alto riesgo sísmico. Los eventos naturales no se pueden predecir cuándo pueda suceder, lo que se puede hacer es, estar preparado para cuando suceda, de esta manera se estará mitigando los daños que pueden causar, principalmente salvaguardando la vida de los habitantes de la zona en donde se da el evento natural. La mayoría de las edificaciones en el país se construyen sin la debida asesoría técnica, esto aumenta la vulnerabilidad estructural ante eventos naturales como los sismos (Aguiar & Mieles, 2016).
Desde el punto de visto estructural los sismos son movimientos horizontales y verticales en la superficie terrestre, durante dichos movimientos, la inercia tiende a se encarga de que la estructura se permanezca es su sitio original, lo que significa la imposición de desplazamientos, lo cual previene que ocurran catástrofes. Por otro lado, el objetivo del diseño sismorresistente es dimensionar las estructuras de tal modo que dichas edificaciones resistan los desplazamientos ocasionados durante un evento sísmico (Hidalgo, 2022).
En la provincia de Manabí se presentan algunas edificaciones con daños, producidos por los movimientos sísmicos ocurridos en períodos anteriores. Muchas de las estructuras en la ciudad no han sido construidas para resistir sismos o fuerzas horizontales, lo que ha provocado que algunos de esos edificios colapsen o lleguen a sufrir daños en elementos no estructurales como sus paredes. Además, las estructuras deben soportar sismos de mayor intensidad, ya que los terremotos o movimientos telúricos que ocurren volverán con características parecidas o con mayor magnitud, misma profundidad y ubicación después de un periodo que se le denomina periodo de retorno o recurrencia. (Mosquera, 2018).
Los edificios del cantón Puerto López, como muchas otras edificaciones en diferentes ciudades de la provincia requieren no solo un estricto control de calidad en sus materiales, sino también en sus sistemas constructivos para que lo calculado en el diseño se acerque lo más posible a la realidad, a esto se suma que las nuevas tendencias de la Ingeniería Sísmica, reconocen la necesidad de evaluar la vulnerabilidad de las estructuras en los entornos urbanos, ya que es allí en donde existe mayor concentración de la población, infraestructuras y servicios. Así pues, el estudio del comportamiento de los edificios ante la eventual ocurrencia de un sismo intenso, es el responsable de evitar verdaderas catástrofes, como las que hasta la fecha continúan dejando grandes pérdidas de vidas humanas y económicas, a nivel del mundo (Quesada & Villacrés, 2018).
1.2. Formulación del Problema
¿Es fundamental el diseño de edificaciones sismo-resistentes, antes eventos sísmicos, debido a su alta peligrosidad sísmica en el recinto Los Dos Ríos del cantón Puerto López?
1.3. Justificación de la Investigación
Un edificio está definido como una estructura que sirve fundamentalmente para dar cabida al ser humano, permitiéndole que realice todas las actividades del diario vivir en un ambiente óptimo, lleno de comodidad y confort, mejorando el rendimiento de sus labores y promoviendo el desarrollo de las ciudades.
El desarrollo y aplicación de diversos métodos o técnicas avanzadas del análisis estructural para el desempeño, vulnerabilidad y fragilidad de una estructura, ha permitido establecer de forma cuantitativa, la importancia que, para la minimización de un riesgo sísmico, tiene el diseño y construcción sismo-resistente, quedando aún varias dudas e interrogantes respecto del análisis estructural, mismas que en el futuro seguirán sin ser investigadas si no se les da la importancia necesaria, pudiendo conducir en muchos casos a decisiones y soluciones erradas en la evaluación y diseño de una estructura, con consecuencias para la seguridad estructural y peor aún, para la vida humana.
El cálculo estructural es de vital importancia para el buen funcionamiento del mismo, ya que de esto dependerá la vida de quienes lo habitan. Es por ello que si no se realiza un cálculo y diseño estructural sismo-resistente a las estructuras, al no aplicar los códigos, normas y procedimientos establecidos para este tipo de edificios de departamentos, llevarían en lo posterior a cometer errores en los cálculos que conducirían a poner en riesgo vidas humanas además de los costos en la reparación y reforzamiento de las estructuras.
En la actualidad ya que el Ecuador es un país con alto riesgo de vulnerabilidad sísmica se ha visto en la necesidad de crear sistemas estructurales sismo-resistentes, entre la cual están los muros de cortante, en los edificios existen elementos estructurales diseñados para resistir las fuerzas gravitacionales y sísmicas, los principales elementos son las vigas y las columnas pero también existen sistemas estructurales sismo-resistentes especiales capaces de resistir los desplazamientos generados por el sismo y que el edificio no es capaz de resistir.
La presente investigación consiste en diseñar una estructura de hormigón armado sismo- resistente en el cantón Puerto López, mediante una modelación con el uso del software ETABS.
La finalidad de este estudio es también identificar costo de la infraestructura.
Este estudio consiste en analizar los desplazamientos máximos que producen riesgo estructural en una edificación de cinco pisos sometida a cargas sísmicas. Se establecerán restricciones sobre el tipo de estructura y sobre el tipo de cargas de acuerdo a las características del suelo, para de esta forma generar una comparación entre diseño de una estructura elástica y método elástico con factor de reducción de la respuesta elástica para obtener resultados.
En otras palabras, el tema se justifica porque en el cantón Puerto López actualmente no existen edificios de 5 pisos que cuenten con análisis y estructura sismo-resistente que permita a los diseñadores estructurales tener información de referencia para el cálculo, análisis y evaluación del comportamiento estructural de la edificación en estado de carga, ante cualquier evento sísmico que se origine o afecte al cantón.
Se justifica en el área económica ya que con esto se generarán instalaciones o departamentos de alquiler y por ende quienes acudan a este sitio tendrán más probabilidades de hospedarse en el cantón, generando con esto mayores recursos no solo al dueño/a de la edificación sino a la población de manera indirecta.
Se justifica en el ámbito social ya que con ello la comunidad de Puerto López podrá relacionarse con otro tipo de estatus social, económico y cultural por las diferentes personas que reserven un sitio en el edificio.
En el área turística se justifica porque permitirá el desarrollo del cantón de manera significativa, ya que al construir un edificio de 5 pisos con estructura sismo-resistente se fomenta a que las personas que acudan a este balneario puedan sentirse seguros al hospedarse en un lugar que ha tenido estudios previos y con personal calificado.
Se justifica en el ámbito académico ya que, a partir del análisis a realizar, en un futuro los diseñadores estructurales y/o futuros proyectos similares en el cantón Puerto López contarán con información de referencia para el cálculo, análisis y evaluación del comportamiento estructural de una edificación en estado de carga.
La propuesta de modelación estructural para una edificación sismo-resistente, se justifica con la normativa ecuatoriana para la construcción (NEC), en su actualización de enero del 2015 para la construcción sismo-resistente de las edificaciones, señalando la obligatoriedad de su ejecución.
1.4. Delimitación de la Investigación
Tema: Diseño estructural sismo-resistente de un edificio de 5 pisos de hormigón armado ubicado en el cantón Puerto López.
Problemática: El cantón Puerto López no cuenta con edificaciones sismo-resistentes de hormigón armado que generen seguridad a los turistas y habitantes de este lugar.
Población de Estudio: Habitantes del cantón Puerto López.
Lugar: Puerto López, Recinto Los Dos Ríos.
Año de Estudio: 2023
Duración de la Investigación: 1 año
Resultado: Diseño estructural sismo-resistente de un edificio de 5 pisos de hormigón armado ubicado en el cantón Puerto López.
1.5. Objetivos de la Investigación 1.5.1. Objetivo General
Diseñar una estructura sismo-resistente de un edificio de 5 pisos de hormigón armado ubicado en el recinto Los Dos Ríos del cantón Puerto López.
1.5.2. Objetivos Específicos
Determinar las características físicas mecánicas del suelo mediante el estudio SPT ubicado en el recinto Los Dos Ríos del cantón Puerto López.
Realizar la planificación arquitectónica del edificio en el recinto Los Dos Ríos del cantón Puerto López.
Diseñar una modelación dinámica en el software ETABS del edificio de 5 pisos de hormigón armado en el recinto Los Dos Ríos del cantón Puerto López.
Ejecutar un presupuesto estructural del proyecto, y cronograma valorizado en el recinto Los Dos Ríos del cantón Puerto López.
1.6. Hipótesis
Es esencial contar con un adecuado diseño sismorresistente, para evitar el colapso de la estructura en el recinto Los Dos Ríos del cantón Puerto López.
II. MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes de la Investigación
El diseño sismo-resistente y la evaluación de la vulnerabilidad sísmica en las edificaciones pertenecientes a Ecuador es un tema que ha sido abordado de manera global, y sus análisis han sido ubicados en mapas integrados de daño estructural, con la intención de emprender acciones capaces de mitigar el peligro sísmico al que están expuestas las estructuras (Barbat et al., 2005).
En la investigación de (Quinde & Reinoso, 2016), con el tema “Estudio de peligro sísmico de Ecuador y propuesta de espectros de diseño para la Ciudad de Cuenca” se presenta un estudio de peligro sísmico para el Ecuador. La falta de catálogos sísmicos completos, o en muchos casos la poca información relacionada al tema, hace que sea necesario un análisis probabilista de amenaza sísmica de manera que sea posible considerar las diferentes incertidumbres que se presentan en el proceso de cálculo. Esta metodología ha sido empleada en el presente trabajo para el estudio de peligro sísmico del Ecuador. Se debe partir de un catálogo que sea lo suficientemente depurado, homogéneo y completo, de manera que los parámetros sísmicos de las diferentes fuentes no presenten grandes desviaciones en sus resultados. Posteriormente, se estudiaron diferentes modelos de atenuación, los mismos que son necesarios para conocer las intensidades en cualquier punto de interés. En este estudio se obtienen resultados de peligro sísmico como curvas de peligro, espectros de peligro uniforme (EPU) y mapas de peligro sísmico, para diferentes periodos de retorno. Como aplicación de estos resultados, se obtienen espectros de diseño sísmico para la ciudad de Cuenca, partiendo de un estudio previo de efectos de sitio realizado por la Universidad de Cuenca en el año 2000.
En el estudio de (Gaibor, 2020), con el tema “Diseño Sismorresistente de un Edificio de 4 Pisos en Acero” se establece que tomando en cuenta la constante amenaza de un evento sísmico
fuerte en el país nos obliga a diseñar edificaciones que tendrán un comportamiento adecuado bajo dicho evento, buscando siempre cuidar la vida de las personas que se encuentren dentro de la estructura por ello en la presente investigación se empleó un diseño en acero usando marcos dúctiles resistentes a momento, este tipo de configuración estructural garantiza la generación de mecanismos de disipación de energía que permitirán tener el comportamiento esperado durante un terremoto. El diseño de estos marcos dúctiles sismo-resistentes está basado en la normativa ecuatoriana y estadounidense más actualizada que rige para edificaciones. El diseño definitivo de la estructura se realizó con ayuda del software ETABS por su facilidad de uso y por tener precargado el diseño de conexiones a momento precalificadas.
En la investigación de (Arteaga, 2016), con el tema “Estudio de vulnerabilidad sísmica, rehabilitación y evaluación del índice de daño de una edificación perteneciente al patrimonio central edificado en la ciudad de Cuenca-Ecuador” se analizó de manera particular la vulnerabilidad sísmica de una edificación patrimonial ubicada en el centro histórico de la Ciudad de Cuenca - Ecuador, valora el índice de daño ante la presencia de un sismo de diseño tal cual lo establece la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC, 2015) y propone una alternativa de reforzamiento estructural para sus muros y paredes portantes de adobe, sin que este método o sus materiales se contraponga con su valor patrimonial o su valor de origen.
2.2. Fundamentos Teóricos 2.2.1. Sismos
Los sismos, son fenómenos geológicos, los cuales ocurren de manera desprevenida, es un movimiento violento, el cual es producido por la liberación de energía del fondo de la tierra, cuya energía se libera en forma de ondas que generan vibraciones en la superficie de la tierra, esos fenómenos son vinculados a procesos naturales de la tierra, la ocurrencia de estos eventos sísmicos
no tiene nada que ver con la época del año, fecha, o temperatura(Chuy, 2013). A opinión personal existen un sinnúmero de conceptos de sismo, sin embargo, la definición de sismo en la actualidad es más precisa, ya que se basa en teoría de tectónica de placas, que explica el movimiento y comportamiento de la mismas, lo cual genera tensiones y deformación de la corteza terrestre.
2.2.2. Sismicidad de Ecuador.
Por el hecho que el Ecuador se encuentra ubicado en el borde noroccidental del continente sudamericano, el territorio está sobre un límite activo de placas tectónicas, zona de subducción de la Placa de Nazca bajo la Placa Sudamericana, lo que ha dado lugar a una liberación violenta de energía, cuya energía es capaz de generar eventos sísmicos de gran magnitud. En el mismo contexto, a cusa de los relieves topográficos de la corteza de subducción de placas, ocasiona que en las costas ecuatoriana exista mayor acoplamiento entre placas, echo por el cual más de 80% del territorio está expuesto a eventos sísmicos fuertes (Guzmán, 2015).
Figura 1
Proceso de subducción entre la placa oceánica de Nazca y la placa continental
Nota. Adaptado de Proceso de subducción entre la placa oceánica de Nazca y la placa continental [Figura], tomada de (H. Yepes et al., 2016).
A nivel nacional, Ecuador ha sido participe de un sinnúmero de eventos sísmicos a lo largo de la historia, cuyos sismos han sido producidos tanto a causa de la naturaleza tectónica como volcánica. En el transcurso de los últimos 400 años se han registrado cerca de 133 eventos sísmicos igual o mayor a V I en la escala de Mercalí, y al menos 37 eventos han superado magnitudes de 7Mw (Duque et al., 2018).
El Ecuador es una de las zonas con mayor actividad sísmica en el mundo debido a que se encuentra ubicado en el Cinturón de Fuego del Pacífico, unos de los eventos sísmicos más significativos en el territorio es el de 1906 en esmeraldas con una magnitud de 8,8Mw, en el cual se ocasionaron grandes pérdidas humanas, sociales y económicas. La principal causa de la peligrosidad sísmica radica en la subducción de tipo ortogonal, que ocurre ente la placa nazca y continental, en donde la placa nazca de hunde a una velocidad de 56 mm, lo cual provoca una deformación de la placa superior a causa que ocurran los sismos (Duque et al., 2018).
En la Figura 2, se pueden observar los epicentros, de ellos 7 eventos sísmicos han sacudido la costa norte ecuatoriana, los cuales son: el sismo de 1906 con una magnitud de 8.8, el cual fue el sexto sismo que más energía a liberado a nivel mundial; el sismo de guayaquil de 1942, con una magnitud de 7.8; otro sismo significativo fue el que ocurrió en esmeraldas en 1998 con una magnitud de 7.1, y el último terremoto registrado fue, el 16 de abril de 2016, con una magnitud 7.8, el terremoto de 1942 y el del 2016 son muy similares, debido a su epicentro y magnitud, en el primero se registraron más de 2000 fallecidos, sin embargo el segundo triplica la cantidad de muertos registrados en 1942, debido a que este tenía una menor población, y menor cantidad de infraestructuras, cuya gran parte de ellas no superaban los 5 pisos. Por lo tanto, la peligrosidad sísmica del Ecuador es alta, debido que aproximadamente, cada 20 años ocurre un evento sísmico
catastrófico, por lo cual realizar una edificación sismorresistente es una necesidad para poder disminuir las pérdidas humanas y económicas en el país (Aguiar, 2016).
Figura 2
Sismos registrados en el siglo xx y xxi en la Costa Norte del Ecuador
Nota. Adaptado de Sismos registrados en el siglo xx y xxi en la Costa Norte del Ecuador [Figura], tomada de (H. Yepes et al., 2016).
2.2.3. Vulnerabilidad Sísmica
La vulnerabilidad sísmica de una ciudad, se define como la predisposición intrínseca a sufrir daño durante un evento sísmico, esta vulnerabilidad está determinada por, la ubicación geográfica, la calidad de la construcción de los edificios, la densidad poblacional, el grado de exposición a amenazas naturales, entre otros. Por otro lado, el riesgo sísmico, es el grado de perdida que se espera que sufra una estructura durante el sismo, dicho periodo de tiempo se lo denomina periodo de exposición, o periodo de vida útil de la edificación. La vulnerabilidad sísmica es
fundamental para la gestión de riesgo sísmico, debido a que permite evaluar los posibles daños, y riesgos a los que se enfrenta una población durante un evento sísmico (Bonett, 2003).
La mitigación de desastres, son todas las acciones o actividades con el fin de realizar un diseño sísmico de la edificación, de tal manera que minimicen los daños al momento que ocurra un sismo. El riesgo sísmico, se determina por la vulnerabilidad, tanto en tiempo y espacio, existen algunos factores que hay que tomar en cuenta como, la sismicidad de la región, la densidad de la población y de la preparación sísmica que tenga la ciudad, para afrontar catástrofes (Bonett, 2003).
A criterio personal una forma esencial para prevenir la peligrosidad sísmica es el diseño sismorresistente, además, es indispensable contar con un plan de emergencias para desastres, y así prevenir daños, tanto humanos como materiales.
2.2.4. Edificaciones Esenciales
Son aquellas infraestructuras, cuyo funcionamiento son esenciales en eventos sísmicos, ya que son necesarias para atender emergencias y precautelar la salud, seguridad y atención de la población frente a una catástrofe (Melone, 2003).
2.2.4.1. Clasificación
Según (Melone, 2003), las edificaciones esenciales se clasifican en:
a. Hospitales, clínicas, ambulatorios y centros de salud.
Este tipo de instalaciones necesitan consideraciones especiales en el diseño sismorresistente, debido al papel que desempeñan cuando hay un evento sísmico fuerte, especialmente en el tratamiento de heridos. Estas edificaciones por lo general aglomeran gran cantidad de personas, sobre todo cuando ocurre un desastre natural, donde deben de seguir con su deber de precautelar la vida de las personas más afectadas, por lo tanto estas edificaciones deben de contar con un buen diseño estructural, de tal manera que, cuando ocurra un sismo, las estructuras
estén en condiciones de servicio, por lo que si un hospital colapsa, ocasiona una crisis a la fata de alternativas en la zona y a la necesidad de atención urgente (Melone, 2003). Desde mi punto de vista estas edificaciones son a las que más enfoque estructural deben tener, ya que son consideradas de alto riesgo, además de esto se debe utilizar materiales de alta calidad, y deben de contar con un plan de emergencia y realizar simulacros continuos.
b. Escuelas, colegios, universidades y otros institutos educacionales.
Estos centros educativos tienen un papel fundamental en los eventos sísmicos, por la razón que pueden servir de alojamiento a las personas damnificadas, por tal razón que son consideradas de alto riesgo debido a la gran cantidad de gente que aglomera cuando ocurren catástrofes, es por eso que estas edificaciones necesitan un enfoque estructural capaz de resistir sismos fuertes, y así poder precautelar la vida de las personas alojadas (Melone, 2003).
c. Edificaciones Gubernamentales o Municipales de importancia.
Estas edificaciones también tienen un papel importante ya que en ellas se genera aspectos logísticos, en cuanto a creación de planes de emergencia sísmica, y puntos de convergencia para poder afrontar las consecuencias que se generar en una crisis sísmica (Melone, 2003).
d. Estaciones de bomberos, policía y cuarteles.
El servicio que presta estas instituciones, es la base primordial de los planes de emergencia, en cuanto a la atención que brindan a las personas afectadas en una crisis sísmica, lo cual es fundamental que estas instalaciones cuenten con un buen diseño sismorresistente ya que, dichas instalaciones deben estar en condiciones de prestar servicios de alojamiento a las personas damnificadas, es por eso que estas son consideradas como edificaciones esenciales, ya que su funcionamiento en condiciones de emergencia o crisis sísmica es vital (Melone, 2003).
e. Centros de asistencia primaria en caso de emergencia como defensa civil, protección civil y primeros auxilios, entre otros.
Estas instalaciones también juegan un papel muy importante en las crisis sísmicas, ya que sirven de alojamiento a corto plazo, y las personas heridas reciben primeros auxilios, estas edificaciones son consideradas como esenciales debido la función social que desempeñan en las catástrofes (Melone, 2003).00
f. Otras edificaciones esenciales.
Existen un sinnúmero de edificaciones que tienen como función albergar personas afectadas durante una crisis símica, entre las más destacadas están, centrales eléctricas, teléfono, radio, televisión, plantas de agua potable, centros de control de tráfico aéreo y marítimo, entre otros, estas edificaciones brindan servicios complementarios a las líneas vitales, y su funcionamiento durante un sismo es fundamental para efectuar un plan de emergencia (Melone, 2003).
2.2.5. Partes constitutivas de un edificio
Según Ortiz (2012), un edificio está compuesto por dos partes:
Infraestructura. Son partes, cuya función es transmitir las cargas de la superestructura a la infraestructura hasta la tierra, se las conoce como: columnas y cimentaciones.
Superestructura. Es el conjunto de elementos, los culés resisten directamente las cargas, los cuales son: vigas, losas, etc.
2.2.6. Sistemas Estructurales.
Una estructura se forma a partir del arreglo o ensamblaje de elementos individuales. Los elementos estructurales se definen en función de su forma, elementos lineales, planos, y de superficie de curva. Los lineales tiene dos dimensiones son menores a la otra dimensión, entre
ellos tenemos a, tirantes, columnas, puntales, vigas etc. Los elementos planos tienen una dimensión más pequeña que las otras dos dimensiones, y una superficie media plana. Por otro lado, los elementos de superficie curva están compuesto por placas, las cuales transmiten cargas transversales por medio de compresión o tención (Alvarado et al., 2004).
Según (Alvarado et al., 2004), los elementos estructurales se clasifican en:
2.2.6.1. Losas.
Son elementos bidimensionales, que transfieren las cargas vivas de movimiento, las cargas que actúan sobre las losas son perpendiculares, lo que hace que su comportamiento sea dominado por la flexión, se las puede proporcionar para que actúen, ya sea en una sola dirección o en dos direcciones perpendiculares (Alvarado et al., 2004).
2.2.6.1.1. Tipos de losas.
Losas Planas.
Son elementos estructurales horizontales, las cuales se apoyan directamente en los muros o columnas, no necesitan de vigas intermedias para transferir las cargas a los elementos verticales, se diferencian de otros elementos constructivos, donde las cargas se transfieren a las vigas y luego a los elementos verticales, las principales ventajas de usar este tipo de losas son, su facilidad de construcción, ejecución y costo, estas losas pueden se macizas en construcciones menores como casas unifamiliares, sin embargo en construcciones mayores, se deben utilizar casetones con el objetivo de que se formen nervios capaces de ofrecer un mayor peralte con menor volumen de hormigón (Cabrera y Vintimilla, 2017). A criterio personal este tipo de losas son óptimas para cubrir grandes superficies, ya que permiten un uso eficiente de espacio, gracias a su distribución uniforme de cargas, además estas losas son resistentes al, fuego, a la corrosión, resistencia a la vibración y resistencia a los ruidos.
Figura 3
Losa plana y sus elementos
Nota. Adaptado de Losa plana y sus elementos [Figura], tomada de (Cabrera & Vintimilla, 2017).
Losa Nervada o Aligerada.
Estas losas, poseen un estilo de construcción liviano, en el cual se remplaza el hormigón por otro tipo de materiales como: bloques, poliestireno, cajones de madera, etc. Estas losas no necesitan de encofrado, por lo que el ladrillo actúa como encofrado en las viguetas (Pungaña, 2015). Argumentando a los mencionado por el auto, estas losas son recomendadas en edificios de muchos pisos ya que disminuye el peso de toda la edificación, ya que estas losas son mucho más livianas a comparación de las losas de concreto, punto de vista positivo es su bajo costo de construcción.
Según Pungaña (2015)Las losas nervadas cumplen tres funciones:
1. Transmite el peso hacia los muros.
2. Transmitir a los muros la fuerza que provoca los sismos.
3. Unir las columnas, vigas y muros, de forma que la estructura trabaje en equipo.
Figura 4
Losa nervada o alivianada
Nota. Adaptado de Losa alivianada [Figura], tomada de (Monfort, 2007).
2.2.6.2. Vigas.
Son elementos estructurales horizontales, capaces de soportar cargas entre dos apoyos, sin la necesidad de crear empuje, además, se encargan de transferir las cargas de las losas a las columnas, por otro lado, las vigas, son capaces de soportar esfuerzos cortantes, estos elementos soportan los techos y abertura, por lo que a la hora de elaborarlos hay comprobar que son capaces de soportar los esfuerzos de tracción, y de compresión (Cabrera y Vintimilla, 2017).
2.2.6.3. Columnas.
Las columnas son elementos estructurales verticales, capaces de soportar el sistema de losa, en la mayoría d ellos casos están sujetos a carga axial y flexión, y tiene mayor importancia, lo que conlleva seguridad de cualquier estructura (Cabrera y Vintimilla, 2017).
2.2.6.4. Muros.
Son cimentaciones verticales, su construcción no necesariamente es de concreto, se puede utilizar cualquier material que llene la forma y cumpla con las necesidades del sistema estructural,
sin embargo, los muros de hormigón armado, son indispensables, como muros de cimentación, muros de escaleras, y muros de soporte, para cargas horizontales de viento y sismos (Cabrera y Vintimilla, 2017).
2.2.6.5. Cimentaciones.
Los cimientos son la parte de una estructura, la cual se encarga de transferir las cargas de la edificación al terreno, permitiendo que las fuerzas de la estructura sean estables, la presión sea menor a la admisible, y permitiendo una limitación a los asientos. Por otro lado, los cimientos deben tener la capacidad de resistir las cargas, y retener la infraestructura, ante movimientos horizontales, como lo son el viento y los sismos (V. Yepes, 2016).
Las cimentaciones son diseñadas para no alcanzar los limites últimos y de servicio, los primeros llevan la edificación a la ruina (hundimiento, deslizamiento, vuelco o rotura del elemento estructural), sin embargo, los segundos logran limitar la capacidad funcional y estética de la edificación, es por eso que para realizar una buena cimentación se debe de tomar en cuenta, las características geotécnicas del suelo, hay que tomar en cuenta que la cimentación depende netamente de las características mecánicas del suelo, y de la posición del nivel freático del suelo (Montoya & Pinto, 2010).
2.2.6.5.1. Clasificación de las cimentaciones.
2.2.6.5.1.1. Cimentaciones Superficiales
Son elementos estructurales capaces de transferir las cargas de la estructura, a través de los elementos de apoyo sobre el suelo, el terreno debe ser grande para que pueda aguantar las cargas, se dice que una cimentación superficial cuando tiene entre 0.50 m y 4 metros de profundidad, otro parámetro que debe tener es que las tenciones permisibles de las diferentes capas del suelo, deben ser capaces de apoyar la edificación de manera directa, sin genera asientos excesivos de la
edificación (Caldas y Salas, 2010). A criterio personal, este tipo de cimentaciones por lo general son más económicas, se las usas cuando las cargas de las estructuras no sean excesivas, y su construcción es más fácil a diferencia de otros tipos de cimentaciones, como las cimentaciones profundas.
Según Caldas y Salas (2010), las cimentaciones superficiales se clasifican en:
2.2.6.5.1.1.1. Cimentaciones ciclópeas.
Este tipo de cimentaciones se los utiliza en suelos cohesivos, de tal manera que se puedan construir las zanjas sin que haya desprendimientos de tierra, estos cimientos se los realiza con hormigón armado y ademanes son de bajo costo, su construcción consiste en colocando dentro de la zanja piedras de varios tamaños con mezcla de concreto en porciones de 1:3:5, de manera de que se mezcle muy bien las piedras con el concreto, sin embargo este método en la actualidad se lo usa muy poco, se lo utilizaba en edificaciones con cargas poco importantes (Caldas y Salas, 2010).
2.2.6.5.1.1.2. Zapatas.
Según (Montoya y Pinto (2010), las zapatas son un incremento de la base de la columna, la mismas que cumple la función de transferir las cargas al suelo, existen diferentes tipos de zapatas tales como:
Zapatas aisladas.
Son elementos estructurales, las cuales amplían la superficie de apoyo con el objetivo que el suelo sea capaz de soportar la carga transmitida, además es considerada u cimentación puntual, ya que recibe un solo sistema de carga el cual son las columnas, por lo general se las emplea en terrenos firmes (Piqueras, 2018).
Figura 5.
Tipos de Zapatas Aisladas
Nota. Adaptado de Tipos de Zapadas Aisladas [Figura], por (Vilela, 2020).
Zapatas corridas.
Es una cimentación plana, de poca profundidad la cual se encarga de receptar la carga de los muros, para apoyarlos en el suelo, generalmente tienen formatos de viga, y su construcción puede ser de hormigón armado, se los utiliza, cuando hay presencia de una carga distribuida linealmente por la cimentación (Gastón, 2021).
Poseen grandes longitudes, a comparación de su sección transversal, estas cimentaciones funcionan de arriostramiento, ya que reduce la presión que se ejerce sobre el suelo, se las aplica en muros, poseen sección rectangulares o estrechas, y generalmente sus dimensiones están en relación de la carga a soportar (Piqueras, 2018).
Figura 6 Zapata Corrida
Nota. Adaptado de Tipos de Zapadas Corrida [Figura], por (Gastón, 2021).
Zapatas combinadas.
Son elementos estructurales, los cuales sirven de cimentación para dos o más columnas, las cuales se las diseña, de tal modo que el centroide del área de la zapata, se ajuste con la de las cargas de las dos columnas, lo cual genera una presión uniforme en el área total, lo cual evita que la zapata se incline (Caldas y Salas, 2010). A criterio personal este tipo de zapatas se las utiliza en terreno inestables o cuando existe mucha presión de agua, estas zapatas combinan elementos de las zapatas aisladas y corridas.
2.2.6.5.1.1.3. Losas de Cimentación.
Las losas de cimentación, prácticamente es una zapata combinada, la cual cubre toda el área de la estructura, estas losas son capaces de soportar más de dos columnas al mismo tiempo, este tipo de cimentaciones se las usas en suelos con baja capacidad de carga, cuando las zapatas estas demasiado juntas (LLumiquinga, 2020).
Este tipo de losas poseen una armadura en la parte superior, la cual tiene la función de equilibrar la contrapresión del terreno, estas cimentaciones son ideales cuando la resistencia del terreno es baja y los pilares tienen a juntarse, cuando la edificación tiene una superficie pequeña en relación del volumen, cuando el terreno tiene asientos irregulares (Caldas & Salas, 2010).
2.2.6.5.1.2. Cimentaciones Semiprofundas.
2.2.6.5.1.2.1. Pozos de cimentación o caissons.
Estos pozos son una posible solución entre las cimentaciones superficiales, y las cimentaciones profundas, es una forma económica de realizar cimientos, sobre todo cuando el firme se encuentra a una profundidad entre 4 y 6 metros. Este tipo de posos se los usa sobre todo en suelos blandos, donde no se puede utilizar cimentaciones superficiales, tiene una gran similitud con los pilotes, la única diferencia es que los caissons tienen un diámetro menor, y su construcción es in situ (Montoya y Pinto, 2010).
2.2.6.5.1.3. Cimentaciones profundas.
Estas cimentaciones se extienden en mayores profundidades que las otras cimentaciones antes mencionadas, se las utiliza para das una mayor resistencia a las edificaciones, la cual consiste en estructuras llamados pilotes, muros de cimentación, y anclajes, las cuales se introducen en el suelo para proporcionar una base de apoyo para la edificación, las misma que se las puede construir, en hormigón armado o mampostería. Por otro lado, estas cimentaciones se las utiliza cuando una edificación determinada extensa en el área de ausentar, cuando una edificación posee una carga demasiado grande. Y cuando el terreno no tenga la resistencia adecuada para soportar as cargas de la edificación. Existen diferentes tipos de cimentaciones tale como: pilas, pilotes, y pantallas (Montoya y Pinto, 2010).
2.2.7. Análisis Lineal
Este análisis también es conocido por análisis equivalente, se lo utiliza en el cálculo de desplazamientos, y deformaciones, también analiza la resistencia y el comportamiento de la edificación bajo cargas, lo cual se logra con el uso de ecuaciones lineales, también conocidas como ecuaciones de equilibrio. Por otro lado, otra función que permite el análisis lineal es el de predecir el comportamiento de la estructura sometida ante cargas adicionales, este análisis es esencial para poder prevenir deformaciones e incluso el colapso de la misma ante un sismo (Almeida, 2021).
2.2.7.1. Fisiología de Diseño Sismorresistente.
Esta fisiología prácticamente se refiera al estudio de la sismorrecistencia de la edificación ante sismos, el objetivo de esta fisiología es el de diseñar una estructura que sean capases de soportar las fuerzas mencionadas en la norma NEC-SE-DS (2015). Por otro lado, esta fisiología de diseño se caracteriza por medio de un análisis de peligrosidad sísmica del sitio, o también a través de un mapa de peligro sísmico, los efectos dinámicos del sismo de diseño, se los puede modelar a través de un espectro de respuesta, o también se suele utilizar un grupo de acelerogramas, los cuales posen propiedades representativas de la geología, y tectónica del sitio (NEC-SE-DS, 2015).
2.2.7.1.1. Zonas sísmicas y factor de zona (Z).
Para las estructuras de uso normal, se utiliza el valor Z, la cual representa la aceleración máxima esperada del sismo de diseño, la misma que esta expresada en fracción de aceleración de la gravedad, el lugar de construcción de la estructura es clave ya que determinará una de las seis zonas sísmicas del Ecuador, las cuales están caracterizadas por el valor de factor de zona Z, así como se observa en la figura 7 (NEC-SE-DS, 2015).
Figura 7
Zonas sísmicas para propósitos de diseño y valor del factor de zona Z del Ecuador
Nota. Adaptado de Zonas sísmicas para propósitos de diseño y valor del factor de zona Z del Ecuador [Figura], Tomada de (NEC-SE-DS, 2015).
A continuación, en la Tabla 1 se puede observar los valores del factor de forma Z en función de la zona sísmica.
Tabla 1
Valores del factor Z en función de la zona sísmica adoptada
Zona sísmica I II III IV V VI
Valor factor Z 0.15 0.25 0.30 0.35 0.40 ≥0.50 Caracterización del peligro
sísmico
Intermedia Alta Alta Alta Alta Muy Alta
Nota. Adaptado de Valores del factor Z en función de la zona sísmica adoptada [Tabla], Tomada de (NEC-SE-DS, 2015).
2.2.7.1.2. Tipos de perfiles de suelos para el diseño sísmico.
Según la norma NEC-SE-DS (2015), los parámetros usados para realizar esta clasificación son 30 metros superiores de los perfiles de los tipos A, B, C, D y E. Por otro lado, los perfiles que posean capas distintas, se les asigna un subíndice (i), el mismo que 1 en la superficie hasta n en la parte inferior a los 30 metros superiores del perfil, sin embargo, en el caso de los perfiles F, se utilizan otros criterios, los mismos que se mencionan detalladamente en la sección 10.5.4.
Tabla 2
Clasificación de los perfiles de suelo Tipo de
Perfil
Descripción Definición
A Perfil de roca competente Vs ≥ 1500 m/s
B
Perfil de roca de rigidez media 1500 m/s >Vs ≥ 760 m/s
C
Perfiles de suelos muy densos o roca blanda, que cumplan con el criterio de velocidad de la onda de cortante, o
760 m/s > Vs ≥ 360
m/s Perfiles de suelos muy densos o roca blanda, que
cumplan con cualquiera de los dos criterios
N ≥ 50.0 Su ≥ 100 Kpa
D
Perfiles de suelos rígidos que cumplan con el criterio de velocidad de la onda de cortante, o
360 m/s > Vs ≥ 180 m/s
Perfiles de suelos rígidos que cumplan cualquiera de las dos condiciones
50 > N ≥ 15.0 100 kPa > Su ≥ 50
kPa
E
Perfil que cumpla el criterio de velocidad de la onda de cortante, o
Vs < 180 m/s Perfil que contiene un espesor total H mayor de 3 m de
arcillas blandas
IP > 20 w ≥ 40%
Su < 50 kPa
F
Los perfiles de suelo tipo F requieren una evaluación realizada explícitamente en el sitio por un ingeniero geotecnista. Se contemplan las siguientes subclases:
F1—Suelos susceptibles a la falla o colapso causado por la excitación sísmica, tales como; suelos licuables, arcillas sensitivas, suelos dispersivos o débilmente cementados, etc.
F2—Turba y arcillas orgánicas y muy orgánicas (H > 3m para turba o arcillas orgánicas y muy orgánicas).
F3—Arcillas de muy alta plasticidad (H > 7.5 m con índice de Plasticidad IP
> 75)
F4—Perfiles de gran espesor de arcillas de rigidez mediana a blanda (H >
30m)
F5—Suelos con contrastes de impedancia α ocurriendo dentro de los primeros 30 m superiores del perfil de subsuelo, incluyendo contactos entre suelos blandos y roca, con variaciones bruscas de velocidades de ondas de corte.
F6—Rellenos colocados sin control ingenieril.
Nota. Adaptado de Clasificación de los perfiles de suelo [Tabla], Tomada de (NEC-SE-DS, 2015).
2.2.7.1.3. Coeficientes de perfil de suelo Fa, Fd y Fs.
Según la NEC-SE-DS (2015), para suelos tipo F, no se proporcionan valores Fa, Fd ni de Fs, por el motivo que, este tipo de suelo necesita un estudio minucioso el cual está estipulado en la sección 10.5.4.
Por otro la dos la norma NEC-SE-DS (2015), menciona los coeficientes de perfil del suelo son los siguiente.
Fa: Coeficiente de amplificación de suelo en la zona de período corto, el cual se lo puede observar en la Tabla 3.
Tabla 3
Tipo de suelo y factores de sitio Fa Tipo de
perfil del suelo
Zona sísmica y factor Z
I II III IV V VI
0.15 0.15 0.30 0.35 0.40 ≥ 0.5
A 0.9 0.9 0.90 0.90 0.90 0.9
B 1 1 1 1 1 1
C 1.4 1.4 1.25 1.25 1.2 1.18
D 1.6 1.6 1.3 1.3 1.2 1.12
E 1.8 1.8 1.25 1.25 1 0.85
Nota. Adaptado de Tipos de suelos y factores de sitio Fa [Tabla], tomada de (NEC-SE DS, 2015).
Fd: amplificación de las ordenadas del espectro elástico de respuesta de desplazamientos para diseño en roca, como se muestra en la Tabla 4.
Tabla 4
Tipo de suelo y Factores de sitio Fd Tipo de
perfil del suelo
Zona sísmica y factor Z
I II III IV V VI
0.15 0.30 0.35 0.35 0.40 ≥ 0.5
A 0.9 0.9 0.90 0.90 0.90 0.9
B 1 1 1 1 1 1
C 1.36 1.28 1.19 1.15 1.11 1.06
D 1.62 1.45 1.36 1.28 1.19 1.11
E 2.1 1.75 1.70 1.65 1.6 1.5
Nota. Adaptado de tipos de suelos y factores de sitio Fd [Tabla], tomada de (NEC-SE-DS, 2015).
