Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
DISEÑO DE DOS EDIFICIOS DE 30 PISOS SOBRE EL NIVEL DE BANQUETA Y 6 SOTANOS
DESTINADOS A DEPARTAMENTOS EN CONDOMINIO Y ESTACIONAMIENTO
Raúl David Granados Granados¹
RESUMEN
En este documento se presenta el diseño estructural de un conjunto habitacional de tres edificios en
condominio que se construirá en el sur de la ciudad de México. En el Congreso de la SMIE realizado en León,
Gto. en 2010 se presentó el diseño de la primera torre de este conjunto, cuya estructura se resolvió en concreto
colado en el sitio. En la segunda fase del proyecto se contemplan otros dos edificios de 30 pisos y seis sótanos
cuya estructura será compuesta, de acero y concreto en los niveles superiores y de concreto colado en el sitio
en los sótanos. El análisis y el diseño se realizaron de acuerdo con el Reglamento de Construcciones para el
D.F. y las Normas Técnicas Complementarias vigentes.
ABSTRACT
This paper concerns with structural design of a three buildings condominium habitation development to be
built in the south side of México City. In the last SMIE Congress celebrated in León Gto., the design of the
first tower was discussed. The structure for this building is a reinforced concrete structure. The second stage
for this project includes two more buildings with 30 floors above ground level and 6 additional floors located
in basement. The structure for these buildings will be composite, steel and concrete in upper floors and
reinforced concrete in basement floors. Structural analysis and design accomplish the current version of
Mexico City Building Code and Complementary Technical Norms.
INTRODUCCION
Como complemento al trabajo presentado en el último congreso de la SMIE se presentan los conceptos
relevantes del diseño de dos torres en las que por su altura, 30 pisos, se recurrió a un sistema estructural
compuesto, para los pisos ubicados arriba del nivel de banqueta. La acción compuesta es solo para las
columnas en las que los perfiles de acero se hacen trabajar de conjunto con un recubrimiento de concreto
reforzado. Esto incrementa significativamente la rigidez de la estructura ante cargas de sismo, con lo que las
deformaciones laterales se controlan en forma eficiente sin incrementar el peso de la estructura de acero.
DESCRIPCION DEL EDIFICIO
Se presenta el proceso de análisis y diseño estructural de dos edificios que se identificarán como Torre 2 y
Torre 3 que son parte de un conjunto cuya primera fase está en proceso de construcción. La estructura elegida
será de acero y está concebida con marcos formados por trabes y columnas compuestas y elementos de
contraventeo ubicados en los cubos de elevadores y escaleras y en otros sitios estratégicos.
El conjunto, en su arreglo final constará de 3 torres independientes, separadas entre sí a partir del nivel de
planta baja. Desde este nivel y hasta la cimentación las torres se transforman en un solo cuerpo que ocupa
toda el área del predio creando el espacio para alojar los estacionamientos del conjunto. En estos niveles
existirán muros de contención en el perímetro del predio que contribuyen también a la resistencia y rigidez
ante acciones sísmicas. Sin embargo, de acuerdo con la planeación financiera la construcción de las torres se
realizará en varias etapas. En la primera se está construyendo una torre, cuyo proyecto se presentó en el
congreso anterior. En la segunda fase se construirán las torres 2 y 3 cuyos aspectos relevantes del diseño se
presentan en este trabajo.
¹ Director de Proyectistas Estructurales Asociados S.C., Alborada 136-701, Col. Parques del Pedregal,
14010 México D.F. (55) 5171- 4957; (55) 5171- 5015; [email protected]
1
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
PROCESO DE ANALISIS Y DISEÑO
En forma sintetizada el trabajo consta de las siguientes etapas.
1) Anteproyecto estructural (Factibilidad).
a) Definición del sistema estructural
b) Definición de materiales y acabados
c) Compatibilidad de la estructura con los demás sistemas (arquitectónico, instalaciones, geotecnia)
2) Proyecto ejecutivo.
a) Modelación de la estructura (con ayuda de programas)
b) Integración de acciones gravitacionales (intensidad, combinaciones)
c) Definición de parámetros para el análisis sísmico (coeficiente sísmico, espectro de diseño)
d) Ejecución del análisis estructural. En esta etapa se puede realizar un análisis estático cuyos resultados se
pueden combinar en forma algebraica con las acciones gravitacionales. También se realizó un análisis
dinámico pero los resultados no se deben combinar directamente con las acciones gravitacionales pues los
valores obtenidos solo tienen signo positivo
3) Evaluación de los resultados del análisis.
a) Verificación del equilibrio
b) Calibración de acciones interiores (momentos, cortantes fuerzas axiales, reacciones)
c) Verificación de deformaciones
d) Evaluación de la respuesta dinámica (modos de vibración, cortantes dinámicos)
Los cortantes dinámicos permitirán obtener fuerzas estáticas de sismo que ahora sí se pueden combinar con
las acciones gravitacionales. En estas condiciones se puede incluir el signo de las fuerzas así como las
excentricidades especificadas por las normas
e) Ajuste de secciones de miembros estructurales
f) Análisis definitivo
g) Dimensionamiento. Este se puede realizar con el mismo programa o con programas propios. En cualquier
caso es necesario verificar los resultados del diseño empleando métodos manuales.
h) Elaboración de planos estructurales para construcción, especificaciones, procedimientos constructivos,
memorias y documentos para obtención de licencias
i) Análisis y diseño de la cimentación. Dependiendo del tipo de terreno de cimentación ésta se puede incluir
en el modelo de la estructura así como también el suelo, si se tiene un terrenos compresible. Cuando el
terreno es firme, la cimentación se considera separada de la estructura y el diseño de sus elementos
componentes se realizara en forma simplista. Se incluyen en esta fase los muros de contención y los demás
elementos como pilas, pilote y anclas
j) Elaboración de los planos de cimentación que incluye las especificaciones y procedimiento de construcción
k) Cuantificación de materiales estructurales
A continuación se presentan algunos de los conceptos más destacables del proyecto.
SISTEMA ESTRUCTURAL
Los edificios están configurados con un arreglo estructural consistente en marcos formados por columnas,
losas, trabes y contraventeos diagonales que proporcionan resistencia y rigidez a cargas laterales, en dos
direcciones ortogonales. En los niveles subterráneos los marcos se extienden en toda el área del predio y se
complementan con muros adicionales de contención. El sistema de piso, en todos los niveles superiores, tiene
también trabes secundarias que reducen la dimensión de los tableros de las losas que son tipo Losacero. A
continuación se muestra el sistema estructural descrito.
2
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Plantas Tipo Inferiores
Plantas Tipo Superiores
Figura 1 Plantas de la Estructura
Figura 2 Isométricos de la estructura Niveles de sótano
3
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
MATERIALES EMPLEADOS Y CARGAS
MATERIALES
Concreto
Acero de refuerzo
Acero estructural
Tornillos
f¨c = 350 kg/cm² (35 MPa) CLASE 1
Fy = 4200 kg/cm² (420 MPa)
A-992 Grado 50
A-325
GARGAS GRAVITACIONALES
Estacionamiento
Losa de 10 cm
Piso
Carga de Reglamento
Carga viva
240 kg/m² (2400 Pa)
120 kg/m² (1200 Pa)
40 kg/m² (400 Pa)
250 kg/m² (2500 Pa)
Total
650 kg/m² (6500 Pa)
Planta baja
Losa tipo Losacero
Piso
Carga de Reglamento
Carga viva
220 kg/m² (2200 Pa)
120 kg/m² (1200 Pa)
40 kg/m² (400 Pa)
350 kg/m² (3500Pa)
Total
730 kg/m² (7300Pa)
Niveles 1 al 29
Losa tipo Losacero
Piso
Muros divisorios
Carga de Reglamento
Carga viva
220 kg/m² (2200 Pa)
120 kg/m² (1200 Pa)
50 kg/m² (500 Pa)
40 kg/m² (400 Pa)
170 kg/m² (1700 Pa)
Total
640 kg/m² (6400 Pa)
Nivel 30 (azotea)
Losa tipo Losacero
Relleno
Acabado
Plafón
Carga de Reglamento
Carga viva
220 kg/m² (2200 Pa)
150 kg/m² (1500 Pa)
100 kg/m² (1000 Pa)
40 kg/m² (400 Pa)
40 kg/m² (400 Pa)
350 kg/m² (3500 Pa)
Total
900 kg/m² (9000 Pa)
4
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
PARAMETROS PARA EL ANALISIS POR SISMO
De acuerdo con el Reglamento para Construcciones del D.F. y sus Normas Técnicas Complementarias se
tiene:
Destino del edificio
Ubicación
Coeficiente sísmico
Factor de comportamiento sísmico
GRUPO B
ZONA I
0.16
1.6
Figura 3 Espectros de diseño
ANALISIS SISMICO DE LA ESTRUCTURA
De acuerdo con las normas vigentes las estructuras de más de 30 m de altura ubicadas en la zona I deben
analizarse por sismo con un método dinámico. El empleo del método estático es insuficiente y solo sirve
para un análisis preliminar. En este caso la estructura se modeló y analizó en tres dimensiones con el
programa ETABS PLUS. Para el análisis sísmico se empleó el análisis modal tomando el espectro del D.F.
para la zona I. En el modelo analítico se incluyeron las 2 torres correspondientes a la segunda fase con los
sótanos. Sin embargo para el análisis dinámico se consideraron dos modelos independientes incluyendo en
cada caso solo una de las torres. A continuación se presentan los resultados del análisis dinámico de las torres.
5
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Formas Modales Torre 2
Figura 4 Modo 1 T = 2.98 seg
Figura 5 Modo 2 T = 2.87 seg
Figura 6 Modo 3 T = 2.26 seg
6
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
CORTANTES DINAMICOS TORRE 2
Figura 7 Cortantes Dinámicos X Torre 2
Figura 8 Cortantes Dinámicos Y Torre 2
Formas Modales Torre 3
Figura 9 Modo1 T = 4.10 seg
Figura 10 Modo 2 T = 3.82 seg
7
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Figura 11 Modo 3 T = 1.41 seg
CORTANTES DINAMICOS TORRE 3
Figura 12 Cortantes Dinámicos X Torre 3
Figura 13 Cortantes Dinámicos Y Torre 3
8
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Con los cortantes dinámicos se obtuvieron fuerzas estáticas en cada dirección que representan una condición
de carga que puede combinarse con las condiciones de carga gravitacional para tener las acciones finales de
diseño.
DISEÑO DE LA ESTRUCTURA
Para el dimensionamiento de los miembros de la estructura se emplearon las NTC del Reglamento para
Construcciones del D.F. El reglamento y sus normas se encuentran actualmente en proceso de revisión y es
posible que en este año se aprueben. Algo de lo mas destacado de la revisión corresponde al Capitulo de
Construcción Compuesta que es totalmente nuevo con respecto a la versión actual de las normas.
CONEXIONES
La unión de los miembros estructurales se diseñó con soldadura, tanto en las conexiones de taller como en las
de campo. Sólo en la conexión de cortante de las vigas se emplearon tornillos de alta resistencia que se
aprovechan como elementos de montaje.
CIMENTACION
De acuerdo con el estudio geotécnico realizado, el terreno de cimentación, en la profundidad donde se
desplantara el edificio, está constituido por un aglomerado formado por gravas y boleos embebidos en una
matriz areno-limosa muy cementada y compacta, de gran resistencia y baja deformabilidad, que registro más
de 100 golpes en los sondeos de penetración estándar.
De acuerdo con lo anterior, la cimentación recomendada fue de tipo superficial con zapatas aisladas bajo las
columnas y corridas bajo los muros. Las zapatas serán de concreto y se desplantaran a 1.50m con respecto al
nivel de la máxima excavación. Este nivel es el (-17.40) en las orillas del predio y (-22.40) en la zona de
elevadores, con respecto al nivel medio de la banqueta. La capacidad de carga del suelo para el diseño fue de
250 ton/m².
PLANOS
Figura 14 Cimentación
9
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Figura 15 Estructura Planta Tipo Torre 2
Figura 16 Estructura Planta Tipo Torre 3
10
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Figura 17 Elevaciones Torre 3
Figura 18 Detalles Torre 3
11
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Figura 19 Conexiones Torre 2
CONCLUSIONES
Se presentó el diseño estructural de dos edificios que forman parte de un conjunto habitacional de 3 unidades
en condominio que se construye en la ciudad de México. En el primer edificio, ya construido, se empleó una
solución con estructura de concreto colado en sitio. En los dos últimos edificios la solución para la estructura
fue con un sistema mixto consistente en un esqueleto de marcos de acero contraventeados y columnas de
sección compuesta con un colado en sitio de concreto reforzado. Esta solución es la más eficiente para
estructuras con este rango de altura (30 pisos) pues permite realizar el montaje de la estructura de acero en un
tiempo corto y completar la sección de las columnas con el colado en el sitio. El empleo de este sistema
resulta atractivo desde el punto de vista económico, pues la densidad de acero resultó del orden de 60 kg/m². y
el colado de concreto en las columnas y en las losas se realiza con gran facilidad.
En relación con las conexiones, éstas se resolvieron con soldadura, tanto en el taller como en el campo. Esta
solución es la más económica, aunque su empleo en la obra requiere prever una supervisión estricta por parte
de una empresa especializada que aplique las técnicas de inspección mas completas de acuerdo a los códigos
existentes. Esto implica contar con una calificación, no solo para los soldadores sino también para las juntas
elegidas. Solo en esta forma se podrá garantizar la calidad de las soldaduras.
12