Diseño de edificio alto considerando la construcción por etapas.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE
SAN AGUSTIN
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
TEMA:
"DISEÑO ESTRUCTURAL DE EDIFICIO
CONSIDERANDO LA CONSTRUCCION POR ETAPAS"
TOMO I – RESUMEN
Tesis Presentada por el Bachiller Ingeniero:
LAZO QUEVEDO, ENRIQUE JOSE
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Civil
Director de Tesis: Ing. Fidel D. Copa Pineda
AREQUIPA - PERU
2016
INDICE
RESUMEN................................................................................................................................ 3
1
PROBLEMÁTICA Y CONTEXTO .................................................................................... 3
2
OBJETIVOS E HIPOTESIS DE LA TESIS ....................................................................... 3
Objetivo General ............................................................................................................. 3
Objetivos Específicos ...................................................................................................... 3
Hipótesis ......................................................................................................................... 4
3
4
INTRODUCCION ............................................................................................................ 4
3.1
Proyecto a Nivel Arquitectónico ............................................................................. 4
3.2
Ubigeo e interpretación del EMS ........................................................................... 7
MARCO TEORICO.......................................................................................................... 9
4.1
Introducción .......................................................................................................... 9
4.2
Concepto de Problema por Altura y Definición de Edificios Altos............................ 9
4.3
Filosofía de Diseño a Cargas Laterales ................................................................. 9
4.4
Consideraciones de Diseño ................................................................................... 9
4.4.1 Por Viento ................................................................................................... 9
4.4.2 Por Sismo.................................................................................................... 9
4.5
Sistema Estructural ............................................................................................. 10
NUCLEO DE APOYO .......................................................................................... 11
VIGA ESTABILIZADORA .................................................................................... 12
5
METODOLOGIA ........................................................................................................... 13
6
ANALISIS DE LOS RESULTADOS ............................................................................... 14
6.1
ANALISIS ESTRUCTURAL POR CARGAS DE GRAVEDAD ............................... 14
6.1.1 CARGA DE SERVICIO .............................................................................. 14
6.2
ANALISIS DE CARGAS LATERALES ................................................................. 18
6.2.1 CARGA DE SISMO ................................................................................... 18
6.3
ANALISIS CONSIDERANDO LA CONSTRUCCION POR ETAPAS ..................... 22
5
APLICACIONES REALIZADAS Y OPORTUNIDADES DE APLICACION....................... 26
6
CONCLUSIONES ......................................................................................................... 26
7
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS............................................................................... 30
RESUMEN
La presente Tesis Universitaria comprende el diseño de un edificio alto (2
sótanos + 23 niveles + 1 Azotea) con irregularidad en planta, y propongo como
alternativa de solución un novedoso sistema estructural que comprende 1 Núcleo
de Apoyo (Con muros de Corte) y una Viga Estabilizadora en la parte superior
de la edificación, apoyándonos en un análisis modal-espectral y uno de
construcción por etapas, para luego pasar a la fase de diseño estructural y
elaboración de planos y por último concluir con el metrado y presupuesto de las
estructuras diseñadas y obtener ratios de acero, concreto y su construcción.
1
PROBLEMÁTICA Y CONTEXTO
La Ciudad de Arequipa desde el año 2006 viene manifestando un
Crecimiento Poblacional desordenado y acelerado, que a su vez debido a
la construcción de Edificios de poca Altura ha logrado: El
congestionamiento en el Centro de la Ciudad, una expansión grotesca en
la periferia de la Ciudad y por si fuera poco la depredación intolerable de la
Campiña Arequipeña que hasta el momento fuera ícono Ecológico de la
Ciudad de Arequipa.
La Ciudad de Arequipa cuenta con más de un millón de habitantes y es por
ello que también como parte de su Desarrollo Urbano sea conveniente
propiciar la construcción de Edificios Altos que le puedan dar el Carácter
poco a poco de Metrópoli que muchas otras ciudades en el mundo poseen
con características similares a las de nuestra querida Ciudad Blanca.
El Tema de Tesis se presenta como: Posible solución al Problema de la
Depredación de la Campiña Arequipeña y como Proyecto Impulsador del
Desarrollo Vertical de la Ciudad a través del propicio de Edificios
Sustentables, respetando el espacio horizontal.
2
OBJETIVOS E HIPOTESIS DE LA TESIS
Objetivo General

Diseño de un Edificio Alto con un sistema estructural novedoso
considerando en el análisis la Construcción por Etapas.
Objetivos Específicos

Determinar la carga lateral de mayor incidencia en la estructura.

Comparar los resultados a nivel de derivas, desplazamiento de centro
de masas y esfuerzos entre un Análisis Sísmico Estático y un Análisis
Sísmico Dinámico.

Mostrar las bondades tanto de la super-estructura como de la subestructura en la edificación.

Desarrollar un procedimiento de análisis que impulse el diseño de
edificios altos.

Mostrar una referencia en cuanto al costo a nivel de estructuras de un
edificio alto.
Hipótesis

El uso del sistema estructural especial que combina un núcleo de
apoyo con el uso de viga estabilizadora para el diseño de edificios
altos es una alternativa económica.
3
INTRODUCCION
3.1 Proyecto a Nivel Arquitectónico
Desde el Punto de Vista arquitectónico el Proyecto de Tesis comprende:




2 Sótanos destinados principalmente a Estacionamientos y Servicios
(Depósito, Sub-Estación, Tanque Cisterna, Cuartos de Máquinas y
Montantes).
La 1ra. Planta destinada a equipamiento (Restaurante, Mini-market,
Lobby y Recepción).
Planta Típica, compuesta por 3 Flats (A, B y C, que le da la
peculiaridad de la Forma de una Flor en Planta) por Nivel.
Azotea.
El Proyecto cuenta con una zona de circulación bien definida (parte central)
contando con Escaleras de Emergencia y 2 Ascensores en todos los
Niveles y con Escaleras Principales para el acceso del 1er. Nivel y las
Plantas Típicas.
Según la Arquitecta, el proyecto fue concebido debido a la gran demanda
de Vivienda por la que atraviesa la Ciudad de Arequipa, destinando 22
Niveles para Viviendas con 1 Nivel de Equipamiento, 1 Azotea y 2 Sótanos
para Estacionamientos con lo que albergará una cantidad aproximada de
350 personas.
a)
Planta del Sótano 2.
b)
Planta del Sótano 1.
c)
Planta del Nivel 1.
d)
Planta del Nivel 2 al 23.
e)
Planta de la Azotea.
Figura 3.1 - Vista en Planta de los Niveles que comprende el proyecto de Tesis a nivel de
Arquitectura.
a)
Vista en elevación.
b)
Vista Superior.
c) Vista Superior de Maqueta de Edificio de Tesis.
Figura 3.2 - Diferentes vistas del proyecto de Tesis en calidad de Maqueta.
3.2 Ubigeo e interpretación del EMS
3.2.1 Ubicación
El terreno llano se encuentra en la Urb. Lambramani, bordeada por la Av.
Los Incas a media cuadra del Centro Comercial Parque Lambramani. (Ver
Figura 3.3).
LOCALIZACION DE
EDIFICIO DE TESIS
Figura 3.3 - Localización de la Edificación
3.2.2 Interpretación del EMS referencial
El proyecto cuenta con un Estudio de Mecánica de Suelos (EMS) que
presenta las propiedades del suelo que varían de acuerdo a su posición,
densidad, estratigrafía y el estado en que se encuentra.
Para fines prácticos y de diseño se tomarán los valores del estudio
realizado en las proximidades de la zona donde el edificio se ha proyectado
(Centro Comercial Parque Lambramani).
Se presenta a continuación un Resumen del Estudio de Mecánica de
Suelos:
A.
PERFIL DEL SUELO: En la auscultación del suelo se han encontrado
lo siguientes Estratos y con ellos inferido los perfiles estratigráficos,
los cuales se adjunta en la Figura 3.4.
Estrato I: Aluvial. Conformado por arenas gravosas de color gris, de
compacidad media a densa, los fragmentos son sub-angulosos y subredondeados.
Estrato II: Aluvial. Conformado por intercalaciones de arenas limosas
amarillentas.
Lentes de material pomáceo color blanquecino y arenas limosas
grisáceas con alto contenido de fragmentos pomáceos, se encuentra
debajo del estrato I.
Estrato III: Aluvial. Conformado por arenas gravosas y arenas finas y
medias, de color gris, de compacidad media a densa, presenta
bolonería entre las calicatas, fragmentos son sub-angulosos y subredondeados.
B.
NIVEL FREATICO: En los sondeos efectuados, hasta la profundidad
de excavación no se ha encontrado.
C.
CARACTERISTICAS GEOTECNICAS DE LOS ESTRATOS:
Zonificación del Terreno: De las calicatas excavadas se han
determinado la presencia ligera o difusa de materiales limosos y
pomáceos y no habría observación respecto al tipo de suelo.
Características del Material Pomáceo: El material pomáceo es de
origen volcánico, su característica principal es su muy bajo peso
volumétrico, exceso de poros, y su alta compresibilidad.
D.
ANALISIS DE CIMENTACION: Se presenta los valores del Estrato
donde se plantará nuestra Platea de Cimentación (Estrato III)
Profundidad de Desplante (Df):
Capacidad Portante Admisible (σ):
Angulo de fricción:
Densidad Mínima (γ):
E.
Df= 10.0m (para Estrato III)
σ=7.51 kg/cm2
ØI= 26.9⁰
γI = 1.658 ton/m3
EFECTO DE SISMO: El suelo en estudio se ubica en la Zona III
(Según el RNE E.030), considerado como de alta sismicidad. Se
puede utilizar para el cálculo de la fuerza sísmica horizontal los
siguientes valores:
S= 1.2 (Factor de Suelo)
Figura 3.4 - Perfil Estratigráfico.
Tp= 0.6 seg.
4
MARCO TEORICO
4.1 Introducción
A la presente tesis se le puede considerar como "Referencia" para la
concepción y diseño de los edificios altos, puesto que reúne las
condiciones, requisitos y características con las que los edificios altos
deben ser dotados; es por ello que se ha querido hacer hincapié sobre este
tipo de edificios, ya que hoy en día es un símbolo de modernidad en todo
el mundo, y un reto a la ingeniería estructural por la complejidad e
importancia que representa desde su concepción y diseño hasta su
construcción.
4.2 Concepto de Problema por Altura y Definición de Edificios Altos
Si no hubiera cargas laterales como las de viento o sismo, el diseño de
cualquier edificio alto, únicamente sería por cargas de gravedad; tal diseño
no impondría algún problema si no fuera por la Altura.
No hay forma de evitar que las cargas de gravedad resulten de la carga
viva y muerta, así que el mínimo material posible para un edificio de
cualquier número de pisos no puede ser menor a la requerida solo por
cargas de gravedad.
4.3 Filosofía de Diseño a Cargas Laterales
Hay 4 factores a considerar en el diseño de edificios altos: resistencia,
rigidez, estabilidad y ductilidad. Naturalmente la resistencia adopta un rol
dominante en tanto se incrementa la altura, pero frecuentemente la rigidez
y la estabilidad toman el control en el diseño.
4.4 Consideraciones de Diseño
4.4.1 Por Viento
En el diseño para viento, una estructura no puede ser considerada
independiente de su entorno porque la configuración de los edificios
cercanos y el terreno natural tiene una influencia substancial en el diseño
de cargas, y por lo tanto influye en la respuesta de la estructura.
El flujo del viento es complejo debido a las numerosas situaciones de flujo
que surgen de la interacción del viento con la estructura.
Sin embargo simplificaciones son hechas para llegar al diseño por efecto
de viento, distinguiendo las siguientes características:
o
o
o
o
o
Variación de la velocidad del viento con la altura. (perfil de
velocidades)
Turbulencia del viento.
Probabilidad estadística.
Formación de remolinos.
Interacción dinámica de viento-estructura.
4.4.2 Por Sismo
Las cargas sísmicas sobre la estructura durante un terremoto, se deben a
la inercia interna producida por las aceleraciones del suelo a que está
sometida la masa del sistema. Las cargas reales dependen de los
siguientes factores:
o
o
o
La intensidad y carácter del movimiento del suelo determinado por la
fuente y su transmisión al edificio.
Las propiedades dinámicas del Edificio, como sus formas modales y
periodos de vibración y sus características de amortiguamiento.
La masa del edificio en su conjunto o de sus componentes.
Por conveniencia en nuestro análisis, usaremos el método Espectral para
la Edificación.
4.5 Sistema Estructural
La bondad del resultado final del diseño depende en gran medida del
acierto que se haya tenido en adoptar un sistema estructural que sea el
más adecuado para soportar las acciones a las que va a estar sujeta la
estructura.
La elección del sistema estructural es parte importante de la concepción
estructural, para ello se deberá tomar en cuenta cierto número de
consideraciones; por separados, son las siguientes:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Funciones estructurales específicas resistencia a la compresión,
resistencia a la tensión; para cubrir claros horizontales, verticalmente;
en voladizo u horizontal.
La forma geométrica u orientación.
El o los materiales de los elementos.
La forma y unión de los elementos.
La forma de apoyo de la estructura.
Las condiciones específicas de carga.
Las consideraciones de usos impuestas.
Las propiedades de los materiales, procesos de producción y la
necesidad de funciones especiales como desarmar o mover.
Existen características para calificar los sistemas disponibles que
satisfagan una función específica. Los siguientes puntos son algunas de
estas características:
o
o
o
o
o
Economía.
Necesidades estructurales especiales.
Problemas de diseño.
Problemas de construcción.
Material y limitación de escala.
Para la presente tesis se dispuso el uso de un sistema estructural que
combine un núcleo de apoyo (principalmente de muros de corte) y una viga
estabilizadora, que detallaremos a continuación:
NUCLEO DE APOYO
Este sistema consta de muros de corte que son ubicados en el núcleo de
la edificación visto en planta. Los muros de corte son frecuentemente
colocados alrededor del elevador y núcleos de servicio, mientras que los
marcos rígidos con viga de acople de relativo peralte se encontrará en el
perímetro normalmente. (Ver figura 4.1)
Figura 4.1 - Planta Esquemática donde se define el Núcleo Central de la Edificación.
ZONA DE
ESCALERAS
ZONA DE
ELEVADORES
Figura 4.2 - Planta Esquemática donde se usará casi en su totalidad Muros de Corte
debido a su Irregularidad y Esbeltez.
Este sistema es uno de los sistemas más populares para resistir cargas
laterales de edificios de mediana y gran altura.
Este sistema tiene una amplia gama de aplicación y ha sido usado para
edificios de baja altura como 10 pisos hasta en edificios de más de 50 pisos;
el rango se ha ampliado con el uso de las vigas con ábacos.
Otra ventaja que da este sistema es que puede soportar esfuerzos de corte
y de momento en las dos direcciones y a la torsión particularmente. La
forma del núcleo prácticamente está dada por la forma del elevador o las
escaleras y pueden variar tanto en forma como en cantidad.1
VIGA ESTABILIZADORA
Esta herramienta que en inglés es denominada “outrigger” es un tipo de
cinturón (naturalmente se usa todo un piso o lo que determine el diseñador)
para reducir la longitud de esbeltez de edificios altos y super altos, y así
controlar los desplazamientos laterales; en nuestro caso se ha usado una
viga estabilizadora y no precisamente un cinturón en todo un nivel en la
parte superior de la edificación. (Ver figura 4.2)
VIGA ESTABILIZADORA
COLUMNAS QUE ACTUAN COMO
TENSOR PARA LA VIGA ESTABILIZADORA
MURO DE CORTE
Figura 4.3 – Vista en Elevación del EJE ‘E’, mostrando la Viga Estabilizadora en el Ultimo
nivel.
1
Ver Capítulo 3, pag. 212 de “Reinforced Concrete Design of Tall Buildings”, Bungale S. Taranath, 2009.
5
METODOLOGIA
Se practicó la siguiente Metodología durante el proceso de Tesis:
a)
Concepción estructural
También llamado ‘Estructuración’ es la etapa primigenia del Proyecto
de Estructuras, donde se le provee al Edificio de un soporte estructural
que sea capaz de comportarse y responder de manera óptima ante
solicitaciones de cargas verticales como laterales.
Se ha tenido en cuenta las siguientes características:

Altura.

Tamaño Horizontal.

Proporción.

Simetría.

Distribución y Concentración de elementos estructurales.

Densidad.

Esquinas.

Resistencia Perimetral.
b)
Determinación de cargas a la estructura.
Se ha tomado en cuenta la participación de las Cargas Verticales y de
las Cargas Laterales, según Norma E.020 y E.030.
c)
Determinación del modelo analítico.
Se ha realizado un modelo tridimensional en el programa ETABS,
considerando todas las propiedades de los elementos estructurales y
las condiciones de apoyo y conexión.
d)
Análisis modal por cargas de servicio y cargas laterales.
Se consideró necesario este análisis para fines comparativos con el
posterior análisis considerando la construcción por etapas y ver las
diferencias a nivel de drifts Inelásticos, desplazamientos laterales del
centro de masa y esfuerzos (axiales, cortantes y momentos).
e)
Análisis considerando la construcción por etapas.
Se realizó este análisis con la finalidad de observar las diferencias que
hubiera cuando se considera una estructura construida piso a piso con
otro idealizado construido de forma súbita.
f)
Diseño estructural.
Se realizó el respectivo diseño de los elementos estructurales bajo la
Norma E.060.
g)
Metrado y presupuesto a nivel de estructuras de la edificación.
Al tener consolidado los planos, se realizó el metrado respectivo de
los mismos para obtener un presupuesto referencial a nivel de
estructuras y ratios de acero y concreto que permitan realizar
comparaciones con otras alternativas.
6
ANALISIS DE LOS RESULTADOS
En esta ocasión, dado lo extenso presentaré los análisis de los resultados
realizados con Análisis Modal y Construcción por Etapas para los casos de Carga
de Servicio y Carga de Sismo a nivel de Drifts Inelásticos y Desplazamientos de
Centro de Masa.
6.1 ANALISIS ESTRUCTURAL POR CARGAS DE GRAVEDAD
6.1.1 CARGA DE SERVICIO
Le llamamos carga de servicio a la que aplica el 100% de la Carga Muerta
+ 25% de la Carga Viva.
o
DRIFTS
Cuadro 6.1– Cuadro de Drifts Elásticos e Inelásticos para las Direcciones X y Y, debido
al 100%CM + 25%CV.
NIVEL
CARGA
AZOTEA
DRIFT ELASTICO
DRIFT INELASTICO
EN X
EN Y
EN X
EN Y
SERVICIO
0.00010
0.00024
0.00032
0.00082
NIVEL23
SERVICIO
0.00009
0.00022
0.00032
0.00074
NIVEL22
SERVICIO
0.00009
0.00007
0.00030
0.00024
NIVEL21
SERVICIO
0.00008
0.00007
0.00028
0.00022
NIVEL20
SERVICIO
0.00008
0.00006
0.00027
0.00020
NIVEL19
SERVICIO
0.00008
0.00005
0.00025
0.00017
NIVEL18
SERVICIO
0.00007
0.00004
0.00025
0.00015
NIVEL17
SERVICIO
0.00007
0.00004
0.00024
0.00014
NIVEL16
SERVICIO
0.00007
0.00004
0.00023
0.00012
NIVEL15
SERVICIO
0.00007
0.00003
0.00022
0.00011
NIVEL14
SERVICIO
0.00006
0.00003
0.00022
0.00010
NIVEL13
SERVICIO
0.00006
0.00003
0.00021
0.00010
NIVEL12
SERVICIO
0.00006
0.00003
0.00020
0.00010
NIVEL11
SERVICIO
0.00006
0.00003
0.00019
0.00010
NIVEL10
SERVICIO
0.00005
0.00003
0.00018
0.00009
NIVEL9
SERVICIO
0.00005
0.00003
0.00017
0.00010
NIVEL8
SERVICIO
0.00005
0.00003
0.00016
0.00010
NIVEL7
SERVICIO
0.00004
0.00003
0.00015
0.00010
NIVEL6
SERVICIO
0.00004
0.00003
0.00014
0.00011
NIVEL5
SERVICIO
0.00004
0.00003
0.00014
0.00011
NIVEL4
SERVICIO
0.00004
0.00003
0.00012
0.00011
NIVEL3
SERVICIO
0.00003
0.00003
0.00011
0.00010
NIVEL2
SERVICIO
0.00003
0.00002
0.00010
0.00007
NIVEL1
SERVICIO
0.00004
0.00003
0.00012
0.00010
Como se observa en el cuadro 6.4, los valores máximos se encuentran en
el Nivel 23.
NIVEL DE PISO
DRIFTS INELASTICOS DEBIDO A 100%CM + 25%CV
AZOTEA
NIVEL23
NIVEL22
NIVEL21
NIVEL20
NIVEL19
NIVEL18
NIVEL17
NIVEL16
NIVEL15
NIVEL14
NIVEL13
NIVEL12
NIVEL11
NIVEL10
NIVEL9
NIVEL8
NIVEL7
NIVEL6
NIVEL5
NIVEL4
NIVEL3
NIVEL2
NIVEL1
0.00000
DRIFT Y
DRIFT X
0.00020
0.00040
0.00060
DRIFT
Figura 6.1 – Gráfico de Drifts Inelásticos en X y Y debido a 100%CM + 25%CV.
0.00080
0.00100
o
DESPLAZAMIENTO LATERAL DEL CENTRO DE MASAS
A continuación presentaremos un cuadro con los valores de
desplazamiento del Centro de Masas obtenidos por acción del 100%CM +
25%CV.
Cuadro 6.2 – Cuadro de Desplazamiento Lateral del Centro de Masa, debido a 100%CM +
25%CV.
NIVEL
DIAFRAGMA
CARGA
UX
UY
AZOTEA
D24
SERVICIO
0.0030
0.0011
NIVEL23
D23
SERVICIO
0.0029
0.0010
NIVEL22
D22
SERVICIO
0.0027
0.0010
NIVEL21
D21
SERVICIO
0.0025
0.0009
NIVEL20
D20
SERVICIO
0.0024
0.0008
NIVEL19
D19
SERVICIO
0.0022
0.0008
NIVEL18
D18
SERVICIO
0.0020
0.0007
NIVEL17
D17
SERVICIO
0.0019
0.0007
NIVEL16
D16
SERVICIO
0.0017
0.0006
NIVEL15
D15
SERVICIO
0.0016
0.0006
NIVEL14
D14
SERVICIO
0.0014
0.0005
NIVEL13
D13
SERVICIO
0.0013
0.0005
NIVEL12
D12
SERVICIO
0.0011
0.0004
NIVEL11
D11
SERVICIO
0.0010
0.0004
NIVEL10
D10
SERVICIO
0.0009
0.0003
NIVEL9
D9
SERVICIO
0.0007
0.0003
NIVEL8
D8
SERVICIO
0.0006
0.0002
NIVEL7
D7
SERVICIO
0.0005
0.0002
NIVEL6
D6
SERVICIO
0.0004
0.0002
NIVEL5
D5
SERVICIO
0.0003
0.0001
NIVEL4
D4
SERVICIO
0.0002
0.0001
NIVEL3
D3
SERVICIO
0.0002
0.0001
NIVEL2
D2
SERVICIO
0.0001
0.0001
NIVEL1
D1
SERVICIO
0.0001
0.0001
Como se podrá observar en el cuadro anterior, los valores máximos hallados se
encuentran en el último nivel (Azotea); así también, las unidades en que se
manejan esos valores se encuentran en metros (m).
NIVEL DE PISO
DESPLAZAMIENTO DEL "CM" DEBIDO A 100%CM + 25%CV (USO)
AZOTEA
NIVEL23
NIVEL22
NIVEL21
NIVEL20
NIVEL19
NIVEL18
NIVEL17
NIVEL16
NIVEL15
NIVEL14
NIVEL13
NIVEL12
NIVEL11
NIVEL10
NIVEL9
NIVEL8
NIVEL7
NIVEL6
NIVEL5
NIVEL4
NIVEL3
NIVEL2
NIVEL1
0.0000
UY
UX
0.0005
0.0010
0.0015
0.0020
DESPLAZAMIENTO LATERAL (m)
Figura 6.2 – Gráfico de Desplazamientos del Centro de Masas en X y Y debido a 100%CM + 25%CV.
0.0025
0.0030
6.2 ANALISIS DE CARGAS LATERALES
6.2.1 CARGA DE SISMO
La razón principal por la que se realiza un análisis dinámico del tipo modalespectral, es por “la Irregularidad de la Estructura”, ya que por tal motivo muy
probablemente a la hora de analizar la participación de masa en los modos de
vibración, esta no reúna la cantidad suficiente para nuestro caso (90%).
Podremos corroborarlo más adelante.
o
DRIFTS
Cuadro 6.3 – Cuadro de Drifts Elásticos e Inelásticos, debido a la Acción del Espectro (SPECX
y SPECY).
NIVEL
CARGA
AZOTEA
DRIFT ELASTICO
DRIFT INELASTICO
EN X
EN Y
EN X
EN Y
ESPECTRO
0.00130
0.00075
0.00440
0.00252
NIVEL23
ESPECTRO
0.00146
0.00129
0.00492
0.00435
NIVEL22
ESPECTRO
0.00156
0.00140
0.00525
0.00471
NIVEL21
ESPECTRO
0.00167
0.00160
0.00564
0.00539
NIVEL20
ESPECTRO
0.00170
0.00172
0.00574
0.00579
NIVEL19
ESPECTRO
0.00169
0.00180
0.00571
0.00607
NIVEL18
ESPECTRO
0.00167
0.00186
0.00565
0.00627
NIVEL17
ESPECTRO
0.00165
0.00191
0.00558
0.00643
NIVEL16
ESPECTRO
0.00163
0.00194
0.00549
0.00655
NIVEL15
ESPECTRO
0.00160
0.00195
0.00541
0.00657
NIVEL14
ESPECTRO
0.00158
0.00196
0.00533
0.00662
NIVEL13
ESPECTRO
0.00155
0.00196
0.00524
0.00663
NIVEL12
ESPECTRO
0.00152
0.00195
0.00513
0.00659
NIVEL11
ESPECTRO
0.00148
0.00193
0.00500
0.00652
NIVEL10
ESPECTRO
0.00144
0.00189
0.00485
0.00639
NIVEL9
ESPECTRO
0.00138
0.00184
0.00466
0.00621
NIVEL8
ESPECTRO
0.00132
0.00177
0.00444
0.00597
NIVEL7
ESPECTRO
0.00124
0.00168
0.00420
0.00567
NIVEL6
ESPECTRO
0.00116
0.00157
0.00392
0.00530
NIVEL5
ESPECTRO
0.00107
0.00143
0.00360
0.00484
NIVEL4
ESPECTRO
0.00095
0.00127
0.00322
0.00427
NIVEL3
ESPECTRO
0.00081
0.00106
0.00274
0.00357
NIVEL2
ESPECTRO
0.00062
0.00082
0.00208
0.00278
NIVEL1
ESPECTRO
0.00043
0.00052
0.00144
0.00176
Como se observa en el cuadro 6.15, los valores máximos por la acción del Sismo
Dinámico (Espectro) se encuentra en el Nivel 17.
NIVEL DE PISO
DRIFTS INELASTICOS POR ACCION DEL SISMO DINAMICO (ESPECTRO) EN LAS
DIRECCIONES X y Y
AZOTEA
NIVEL23
NIVEL22
NIVEL21
NIVEL20
NIVEL19
NIVEL18
NIVEL17
NIVEL16
NIVEL15
NIVEL14
NIVEL13
NIVEL12
NIVEL11
NIVEL10
NIVEL9
NIVEL8
NIVEL7
NIVEL6
NIVEL5
NIVEL4
NIVEL3
NIVEL2
NIVEL1
0.00000
ΔY (SPECY)
ΔX (SPECX)
0.00100
0.00200
0.00300
0.00400
0.00500
DRIFT (Δ)
Figura 6.3 – Gráfico de Drifts Inelásticos en X y Y debido a Carga de Sismo Dinámico (SPECX y SPECY).
0.00600
0.00700
o
DESPLAZAMIENTO LATERAL DEL CENTRO DE MASAS
A continuación presentaremos un cuadro con los valores de
desplazamiento del Centro de Masas obtenidos por acción del Sismo
Dinámico (Espectro).
Cuadro 6.4 – Cuadro de Desplazamiento Lateral del Centro de Masa, debido a la Carga de
Sismo Dinámico en las direcciones X y Y.
NIVEL DIAFRAGMA CARGA
UX
UY
AZOTEA
D24
ESPECTRO
0.0797
0.065
NIVEL23
D23
NIVEL22
D22
ESPECTRO
0.076
0.0633
ESPECTRO
0.0723
0.061
NIVEL21
D21
ESPECTRO
0.0686
0.0583
NIVEL20
D20
ESPECTRO
0.0647
0.0555
NIVEL19
D19
ESPECTRO
0.0607
0.0525
NIVEL18
D18
ESPECTRO
0.0567
0.0495
NIVEL17
D17
ESPECTRO
0.0527
0.0463
NIVEL16
D16
ESPECTRO
0.0487
0.0431
NIVEL15
D15
ESPECTRO
0.0446
0.0397
NIVEL14
D14
ESPECTRO
0.0407
0.0364
NIVEL13
D13
ESPECTRO
0.0368
0.033
NIVEL12
D12
ESPECTRO
0.0329
0.0297
NIVEL11
D11
ESPECTRO
0.0291
0.0264
NIVEL10
D10
ESPECTRO
0.0254
0.0231
NIVEL9
D9
ESPECTRO
0.0219
0.0199
NIVEL8
D8
ESPECTRO
0.0185
0.0169
NIVEL7
D7
ESPECTRO
0.0152
0.0139
NIVEL6
D6
ESPECTRO
0.0122
0.0111
NIVEL5
D5
ESPECTRO
0.0094
0.0086
NIVEL4
D4
ESPECTRO
0.0068
0.0062
NIVEL3
D3
ESPECTRO
0.0046
0.0042
NIVEL2
D2
ESPECTRO
0.0026
0.0024
NIVEL1
D1
ESPECTRO
0.0011
0.001
Como se podrá observar en el cuadro anterior, los valores máximos hallados se
encuentran en el último nivel (Azotea); así también, las unidades en que se
manejan esos valores se encuentran en metros (m).
NIVEL DE PISO
DESPLAZAMIENTO LATERAL DEL "CM" POR ACCION DEL ESPECTRO
AZOTEA
NIVEL23
NIVEL22
NIVEL21
NIVEL20
NIVEL19
NIVEL18
NIVEL17
NIVEL16
NIVEL15
NIVEL14
NIVEL13
NIVEL12
NIVEL11
NIVEL10
NIVEL9
NIVEL8
NIVEL7
NIVEL6
NIVEL5
NIVEL4
NIVEL3
NIVEL2
NIVEL1
UY (SPECY)
UX (SPECX)
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
DESPLAZAMIENTO LATERAL (m)
Figura 6.4 – Gráfico de Desplazamientos del Centro de Masas en X y Y debido a la Carga de Sismo Dinámico (Espectro).
0.09
6.3 ANALISIS CONSIDERANDO LA CONSTRUCCION POR ETAPAS
Este análisis es especial y se realiza porque es parte del objetivo principal de la
presente Tesis, para luego hacer la comparación con el Análisis de Cargas de
Gravedad, en especial la Carga Sísmica, donde participa el 100% de la Carga
Muerta más un 25% de la Carga Viva; esto con el fin de ver las diferencias que
hubiera cuando se considera una estructura construida piso a piso con otro
idealizado construido repentinamente de una sola vez.
o
DRIFTS
Cuadro 6.5 – Cuadro de Drifts Elásticos e Inelásticos, debido a 100%CM + 25%CV
considerando la Construcción por Etapas (SECUENCIAL CASE).
DRIFT ELASTICO
NIVEL
DRIFT INELASTICO
CARGA
EN X
EN Y
EN X
EN Y
AZOTEA
SERVICIO-SQ
0.00009
0.00005
0.00030
0.00017
NIVEL23
SERVICIO-SQ
0.00009
0.00006
0.00030
0.00019
NIVEL22
SERVICIO-SQ
0.00008
0.00005
0.00028
0.00017
NIVEL21
SERVICIO-SQ
0.00006
0.00005
0.00021
0.00016
NIVEL20
SERVICIO-SQ
0.00006
0.00004
0.00020
0.00014
NIVEL19
SERVICIO-SQ
0.00006
0.00004
0.00019
0.00013
NIVEL18
SERVICIO-SQ
0.00005
0.00003
0.00017
0.00011
NIVEL17
SERVICIO-SQ
0.00005
0.00003
0.00016
0.00010
NIVEL16
SERVICIO-SQ
0.00005
0.00003
0.00017
0.00008
NIVEL15
SERVICIO-SQ
0.00005
0.00002
0.00016
0.00008
NIVEL14
SERVICIO-SQ
0.00005
0.00002
0.00015
0.00008
NIVEL13
SERVICIO-SQ
0.00004
0.00002
0.00014
0.00007
NIVEL12
SERVICIO-SQ
0.00004
0.00002
0.00013
0.00007
NIVEL11
SERVICIO-SQ
0.00004
0.00002
0.00012
0.00007
NIVEL10
SERVICIO-SQ
0.00003
0.00002
0.00011
0.00007
NIVEL9
SERVICIO-SQ
0.00003
0.00002
0.00010
0.00008
NIVEL8
SERVICIO-SQ
0.00003
0.00002
0.00011
0.00007
NIVEL7
SERVICIO-SQ
0.00003
0.00002
0.00011
0.00007
NIVEL6
SERVICIO-SQ
0.00004
0.00002
0.00012
0.00008
NIVEL5
SERVICIO-SQ
0.00004
0.00003
0.00012
0.00009
NIVEL4
SERVICIO-SQ
0.00004
0.00003
0.00013
0.00011
NIVEL3
SERVICIO-SQ
0.00004
0.00003
0.00013
0.00011
NIVEL2
SERVICIO-SQ
0.00003
0.00002
0.00011
0.00008
NIVEL1
SERVICIO-SQ
0.00005
0.00003
0.00015
0.00011
NIVEL DE PISO
DRIFTS INELASTICOS DEBIDO A 100%CM + 25%CV (SECUENCIAL CASE)
AZOTEA
NIVEL23
NIVEL22
NIVEL21
NIVEL20
NIVEL19
NIVEL18
NIVEL17
NIVEL16
NIVEL15
NIVEL14
NIVEL13
NIVEL12
NIVEL11
NIVEL10
NIVEL9
NIVEL8
NIVEL7
NIVEL6
NIVEL5
NIVEL4
NIVEL3
NIVEL2
NIVEL1
0.00000
ΔY
ΔX
0.00005
0.00010
0.00015
0.00020
0.00025
0.00030
0.00035
DRIFT (Δ)
Figura 6.5 – Gráfico de Drifts Inelásticos en X y Y debido a 100%CM + 25%CV considerando la Construcción por Etapas (SECUENCIAL CASE).
o
DESPLAZAMIENTO LATERAL DEL CENTRO DE MASAS
A continuación presentaremos un cuadro con los valores de
desplazamiento del Centro de Masas obtenidos por la participación del
100%CM + 25%CV considerando la construcción por etapas
(SECUENCIAL CASE).
Cuadro 6.6 – Cuadro de Desplazamiento Lateral del Centro de Masas, debido a la acción del
100%CM + 25%CV considerando la Construcción por Etapas (SECUENCIAL CASE).
NIVEL
DIAFRAGMA
CARGA
UX
UY
AZOTEA
D24
SERVICIO-SQ
0.0003
0.0005
NIVEL23
D23
SERVICIO-SQ
0.0006
0.0006
NIVEL22
D22
SERVICIO-SQ
0.0007
0.0006
NIVEL21
D21
SERVICIO-SQ
0.0008
0.0006
NIVEL20
D20
SERVICIO-SQ
0.0008
0.0006
NIVEL19
D19
SERVICIO-SQ
0.0008
0.0006
NIVEL18
D18
SERVICIO-SQ
0.0008
0.0006
NIVEL17
D17
SERVICIO-SQ
0.0008
0.0006
NIVEL16
D16
SERVICIO-SQ
0.0008
0.0006
NIVEL15
D15
SERVICIO-SQ
0.0008
0.0006
NIVEL14
D14
SERVICIO-SQ
0.0008
0.0006
NIVEL13
D13
SERVICIO-SQ
0.0008
0.0005
NIVEL12
D12
SERVICIO-SQ
0.0008
0.0005
NIVEL11
D11
SERVICIO-SQ
0.0007
0.0005
NIVEL10
D10
SERVICIO-SQ
0.0007
0.0004
NIVEL9
D9
SERVICIO-SQ
0.0006
0.0004
NIVEL8
D8
SERVICIO-SQ
0.0006
0.0003
NIVEL7
D7
SERVICIO-SQ
0.0005
0.0003
NIVEL6
D6
SERVICIO-SQ
0.0004
0.0003
NIVEL5
D5
SERVICIO-SQ
0.0003
0.0002
NIVEL4
D4
SERVICIO-SQ
0.0003
0.0002
NIVEL3
D3
SERVICIO-SQ
0.0002
0.0001
NIVEL2
D2
SERVICIO-SQ
0.0001
0.0001
NIVEL1
D1
SERVICIO-SQ
0.0001
0.0001
Como se podrá observar en el cuadro anterior, los valores máximos hallados se
encuentran en el último nivel (Azotea); así también, las unidades en que se
manejan esos valores se encuentran en metros (m).
DESPLAZAMIENTO LATERAL DEL "CENTRO DE MASAS" DEBIDO A LA ACCION DEL
100%CM + 25%CV
NIVEL23
NIVEL21
NIVEL19
NIVEL DE PISO
NIVEL17
NIVEL15
NIVEL13
UY
NIVEL11
UX
NIVEL9
NIVEL7
NIVEL5
NIVEL3
NIVEL1
0.0000
0.0002
0.0004
0.0006
0.0008
0.0010
DESPLAZAMIENTO LATERAL (m)
Figura 6.6 – Gráfico de Desplazamientos del Centro de Masas en X y Y debido a la Acción del 100%CM + 25%CV considerando la Construcción
por Etapas (SECUENCIAL CASE).
7
APLICACIONES REALIZADAS Y OPORTUNIDADES DE APLICACION
El sistema estructural que se ha propuesto, no es muy común en nuestro
país y solo se ha visto aplicado a unos cuantos edificios, pero todos de gran
altura (mayores a los 100m) en la ciudad de Lima, como por ejemplo:








Edificio City Center Quimera (87m) – Sist. Est. con Núcleo de Apoyo.
Edificio Citibank (107m) – Sistema Estructural con Núcleo de Apoyo.
Edificio Centro Cívico (109m) – Sist. Estructural con Núcleo de Apoyo.
Edificio Westin (120m) – Sist. Estructural con Núcleo de Apoyo.
Edificio Begonias (122m) –Sist. Estructural con Núcleo de Apoyo.
Edificio Interseguro (136m) – Sist. Estructural con Viga Estabilizadora.
Edificio Banco de la Nación (140m) – Sist. Est. Con Núcleo de Apoyo.
Rascacielo Cuartel San Martín (203m) (en construcción) – Sist.
Estructural con Núcleo de Apoyo y Cinturón Estabilizador.
Esta tesis como se dijo en un principio pretende ser una especie de guía y
precedente para el diseño de futuros edificios altos en nuestro país.
8
CONCLUSIONES
1.
VALIDACION DE DATOS.
Los datos de cargas de gravedad ingresados al programa ETABS solo
difieren en no más del 8% de los obtenidos metrando en forma manual.
2.
VALIDACION DE RESULTADOS.
El esfuerzo cortante obtenido de forma manual (Sin programa) alcanza el
97.34% del valor obtenido por el programa ETABS.
3.
CONCEPCION ESTRUCTURAL.
El proyecto desde su concepción arquitectónica posee irregularidad en
planta, más no en altura.
Rigidez, Resistencia y Durabilidad
Dada la arquitectura del proyecto se le proporcionó rigidez mediante ‘muros
de corte’ con formas de I y C, que poseen un mejor comportamiento ante
solicitaciones sísmicas.
Se usó concreto de alta resistencia que permite entre muchas cosas, una
menor deformación ante esfuerzos axiales, una reducción del peso global
pudiendo suponer cierta reducción en la cimentación y un aumento en la
vida útil de la estructura.
Sistema Estructural y Estabilidad
El edificio con un sistema estructural de ‘muros de corte’, se comporta como
viga ‘cantilever’ (en voladizo), éste controla el desplazamiento en los
niveles inferiores pero dada su esbeltez fue necesario adicionarle una viga
estabilizadora en el último nivel que ayudó a reducir el desplazamiento
lateral hasta en un 32% en X y 40% en Y.
Centro de Masas y Centro de Rigideces
Tal irregularidad se ha controlado proponiendo un sistema estructural de
‘muros de corte’ de forma que la excentricidad entre el Centro de Masas y
el Centro de Rigideces en toda la altura del edificio no superan el 12%.
Regularidad Horizontal
Este parámetro es la relación de la excentricidad entre el Centro de Masas
y el Centro de Rigideces con respecto al radio de giro, no superando el
9.5% en ambas direcciones.
Densidad de Muros
Este parámetro es muy importante dado que tiene una relación directa con
los costos del proyecto; el espesor de los muros de corte fue reduciéndose
conforme uno va ascendiendo, desde 3.39% a 1.93%.
4.
CARGA LATERAL DE INCIDENCIA (Viento vs Sismo).
Se aplicaron las cargas según lo estipulado en la norma E.020 del RNE, y
se encontró que los valores de esfuerzos (Cortante), desplazamientos de
centro de masa y derivas obtenidos por la carga lateral de viento, alcanzan
entre el 9% al 11% de los obtenidos por la carga lateral de sismo,
concluyendo que la carga de Sismo es la carga lateral que afecta más a la
estructura.
5.
PERIODO DE LA ESTRUCTURA.
Tanto para el análisis sísmico estático y dinámico, los valores del periodo
son menores a los esperados (T=0.1xN, donde N= 24 Niveles), esto nos
demuestra que la estructura es rígida y no es para menos ya que el sistema
estructural elegido es el de ‘Muros Estructurales’ con una viga
estabilizadora en el último nivel.
6.
CORTANTE BASAL (Sismo Estático vs Sismo Dinámico).
El valor del cortante basal a nivel de terreno, hallado por el método dinámico
de combinación espectral es de 87.66% en la dirección X y de 75.02% en
la dirección Y del obtenido por el método estático y se escaló estos
resultados (excepto desplazamientos) al 90% según el Art. 18d de la Norma
E.030 del RNE, para el diseño de los elementos estructurales.
7.
DERIVAS (drifts).
Los valores de derivas (drifts) obtenidos por el análisis dinámico son del
orden del 81.43% en la dirección X y un 94.29% en la dirección Y con
respecto al límite permisible dado por el RNE en su norma E.030 Art. 15.1.
8.
ANALISIS DINAMICO MODAL-ESPECTRAL.
Tipo de Análisis
Se utilizó el análisis del vector Ritz como un tipo de análisis modal ya que
proporciona una mejor base que los vectores propios cuando se utiliza para
respuesta del espectro que se basa en la superposición modal.
Criterio de Combinación
Según lo estipulado en el art. 18.2c de la Norma E.030, del RNE, se
requirieron 15 modos para alcanzar una participación de masa del 90% en
las 2 direcciones (X, Y).
Modos de Vibración
La participación de la masa en cada dirección no alcanza una mayoría
contundente dentro de los 3 primeros modos de vibración, esto se debe a
la Irregularidad en planta que posee la estructura desde su concepción; sin
embargo no puedo dejar de señalar que según el primer modo de vibración
la estructura tiene como débil al eje Y .
9.
ANALISIS NO LINEAL DE CONSTRUCCION POR ETAPAS vs ANALISIS
LINEAL DE CONSTRUCCION SUBITA
Se realiza un análisis de construcción por etapas (Secuencial Case) por ser
este el que represente mejor el comportamiento de la estructura
considerando la construcción de la misma (nivel a nivel).
Este análisis comparado con el de construcción súbita se realiza a nivel de
la participación de las cargas de servicio (100%CM + 25%CV), dado que
no tiene caso usar sismo mientras no se haya concluido todo el edificio ya
que no estaría en toda su capacidad, así que se tiene:
A nivel de ‘Desplazamiento del Centro de Masa’:

Para el modelo de construcción súbita se tiene, que conforme se
va ascendiendo nivel a nivel, el desplazamiento de Centro Masas
va en aumento logrando el máximo en el nivel de Azotea con
UXmax.= 0.0030m y UYmax.=0.0010m.

En el caso del modelo de construcción por etapas, conforme se va
ascendiendo, el desplazamiento del Centro de Masas de cada nivel
va en aumento para lograr su máximo en el Nivel 16 con
UXmax.=0.0006m (20.00%) y UYmax.=0.0008m (80.00%).
A nivel de ‘Derivas’:

Para el modelo de construcción súbita da valores mayores al
modelo de construcción por etapas, en un 6.67% en la dirección X
y 431.57% en la dirección Y.

Se infiere que los resultados a obtener de un análisis de
construcción por etapas usando una carga lateral sísmica serían
menores a los resultados obtenidos por el análisis de construcción
súbita.
A nivel de ‘Esfuerzos’:

Tanto en las Placas, Columnas y Vigas, los valores obtenidos por
un análisis de construcción por etapas son menores a los obtenidos
por construcción súbita, ambos valores no tienen un coeficiente de
relación patrón, por lo que no es descabellado tomar los valores de
construcción súbita para el ‘diseño’ si no se pretende ser exquisito
al momento del diseño.
Visto lo anterior se concluye que un análisis de construcción por etapas al
ser más realista, efectivo y necesario, debería usarse para el caso de
edificios altos y con irregularidades en planta.
10. LA CIMENTACION.
La cimentación se modeló, analizó y diseñó con ayuda del programa
‘SAFE’, tanto para un A. Estático (100%CM+100%CV) y un A. Dinámico
(CM+CV+CS), de allí se tiene:
Análisis Estático

Una presión de suelo de 43.45 Ton/m2 que implica un 55.42% con
respecto a la capacidad del suelo a un Nivel de H= - 9.50m con
respecto a nivel del terreno.

Se encontró un asentamiento máximo diferencial de 0.006313m, valor
menor al recomendado (2”).
Análisis Dinámico

Una presión de suelo de 38.58 Ton/m2 que implica un 49.21% con
respecto a la capacidad del suelo a un Nivel de H= - 9.50m con
respecto a nivel del terreno.

Se encontró un asentamiento máximo diferencial de 0.006198m, valor
menor al recomendado (2”).
11. DISEÑO ESTRUCTURAL.
A nivel de Sub-Estructura:

Se planteó una Cimentación Rígida a base de una Platea de
Cimentación acompañado de enormes Vigas de Cimentación por
los siguientes motivos:

Superposición de zapatas.

Para mantener un desplazamiento vertical similar en toda el
área donde se apoya la estructura desde el sótano hasta la
Azotea.

Ventaja al momento de diseño de cimentaciones por el valor
de capacidad portante que se considera.

Grandes Momentos de Volteo producidos en la base de los
Muros Estructurales.
A nivel de Super-Estructura:

Se planteó una viga estabilizadora en forma de ‘T’ a nivel de Azotea
en la dirección Y, y Vigas Diafragma también a nivel de Azotea,
tanto en la dirección X y Y, con la finalidad de:

Unir cada ala o lado con el núcleo.

Formar mega-marcos que ayuden a resistir la torsión.

Reducir el desplazamiento lateral.

Se planteó la reducción de inercias por Bloques conforme requiera
el diseño para los elementos estructurales con excepción de las
columnas para que estas pudieran tener un papel preponderante
en los últimos niveles evitando un mayor desplazamiento lateral;
algunas de estas columnas actuarán como tensores para la viga
estabilizadora.

A su vez se planteó una reducción de resistencias por Bloques
conforme se iba ascendiendo, de acuerdo a lo que requiriera el
diseño de cada elemento en particular.
12. METRADOS y PRESUPUESTO DE LA ESTRUCTURA
Ratios de Acero y Concreto.
En nuestro proyecto tenemos la mayor densidad de acero en las Columnas
y Vigas. El ratio de acero del edificio es 55.80 Kg/m2, y del Concreto 0.58
m3/m2 de área techada.
Los ratios se encuentran en un rango aceptable, con la salvedad de la
‘irregularidad en planta’ del edificio.
Costo de la Estructura.
El costo directo hallado por M2 de área techada es $ 219.69, que en mi
opinión es un costo aceptable teniendo en cuenta todo lo considerado en
la Concepción Estructural.
9
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