Diseño Estructural Con Concreto Armado de Maria Graciela Fratelli
diseño estructural de concreto armado 5 niveles
Transcript of diseño estructural de concreto armado 5 niveles
ING. FREDY LUIS TALACE MARTINEZ
CONCRETO ARMADO I
13/09/2015
“Año de la Diversificación Productiva y del Fortalecimiento de la Educación””
UNIVERSIDAD PRIVADA DE TACNA
DISEÑO ESTRUCTURAL EN CONCRETO ARMADO DE UN
EDIFICIO DE CINCO NIVELES
FA
ING
Jean Marco Leonel Labra
Tacna, 13 de Septiembre de 2015
GR
UP
O “
B”
13 de septiembre de 2015
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DISEÑO ESTRUCTURAL EN CONCRETO ARMADO DE UN EDIFICIO DE CINCO NIVELES
UNIVERSIDAD PRIVADA DE TACNA
INTRODUCCION
El objetico del presente trabajo es realizar el análisis estructural de un edificio y diseñar los
principales elementos estructurales; así de esta manera recordar, organizar y completar,
bajo una forma de aplicación práctica, los conocimientos adquiridos en los diversos cursos
básicos de la carrera, en mayor medida el curso de Concreto Armado I para el cual se está
realizando el presente trabajo.
El edificio de concreto armado es del tipo aporticado, es decir está formada por una matriz
aporticada netamente para así emplear y profundizar más aun en los temas tocados a lo
largo del curso; tiene cinco niveles. El área es de 273 𝑚2 (13 m. x 21 m.).
Se procedió a estructurar y predimensionar los elementos estructurales definiéndolos tanto
en ubicación como en dimensión, cabe mencionar que al realizar el Análisis Estructural
Dinámico Modal Espectral con la norma E-030 se incrementaron un poco en su tamaño
como en su forma (en caso de las columnas) a las secciones halladas en el
predimensionamiento para cumplir con lo especificado en el Reglamento Nacional de
Edificaciones, de tal manera de lograr una estructura segura y funcional.
Después se realizó el metrado de cargas de los distintos elementos estructurales, de
acuerdo al Reglamento Nacional de Edificaciones E-020 CARGAS.
Teniendo entonces el modelo estructural y el metrado de cargas se procedió a realizar el
análisis estructural dividido en dos partes: el análisis sísmico y el vertical. El análisis
sísmico se hizo mediante el programa de análisis estructural “ETABS 2015” desarrollado por Computers and Structures Inc. “CSI”, dicho programa realiza el análisis mediantes un
modelo tridimensional de la estructura.
Terminando el análisis estructural de efectuó el diseño en concreto armado de los
elementos estructurales principales. El diseño se realizó en base a las disposiciones
indicadas en la norma de Concreto Armado E-060 del Reglamento Nacional de
Edificaciones.
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OBJETIVOS
OBJETIVOS GENERALES
El objetivo general del presente trabajo es realizar el análisis estructural y diseño
de la losa aligerada, vigas y columnas del segundo piso de un edificio de cinco
niveles.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Realizar el análisis estructural del edificio por cagas sísmicas y verticales.
Diseñar los principales elementos estructurales: aligerados, vigas y columnas con
los conocimientos adquiridos en el curso.
Ampliar los conocimientos sobre el tema, complementando lo aprendido a lo largo
del semestre.
Elaborar correctamente los planos estructurales, que reflejan el trabajo que todo
ingeniero civil realiza en el campo del diseño.
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Lugar de Construcción :
Uso :
UBICACIÓN Y USO DE LA EDIFICACION
Tacna
Biblioteca
Perímetro = 68 ml
Area del Terreno = 273 m2
Area Techada = 248 m2
Altura de Entrepiso = 3 m
N° de Niveles = 5
CARACTERISTICAS GEOMETRICAS
DE LA EDIFICACION
1.1 DESCRIPCION DEL PROYECTO
El presente trabajo es para realizar el diseño estructural en concreto armado de una
edificación de cinco pisos con un sistema netamente aporticado, las distancias entre los ejes
fueron determinadas por el docente a cargo del curso, el uso que se dará a la edificación, la
ubicación, el tipo de suelo en el que esta deba construirse y los demás datos que se
requieran para elaborar el presente trabajo se asumirán en concordancia con las
características y requerimientos propuestos en clases. La ubicación y uso de la edificación
se muestran en el cuadro 1.1.
1.2 CARACTERISTICAS DE LA EDIFICACION
El tema de desarrollo consiste en un edificio de cinco niveles, todos son pisos típicos.
Las dimensiones entre los ejes se muestran en la figura 1, en base a esto se procedió a
estructurar y a predimensionar los elementos estructurales para su posterior análisis y
diseño.
Según la sobrecarga con la que se trabajara se vio conveniente se asumió que el uso de la
edificación será destinada a para una biblioteca sin una distribución arquitectónica definida
en un terreno de 273 𝑚2. La altura de entrepiso será de 3.00 𝑚 con una área techada de 248 𝑚2 que incluye áreas comunes. Todas las características geométricas de la edificación
se muestran en el cuadro 1.2.
CAPÍTULO I
Aspectos Generales
Cuadro 1.2
Cuadro 1.1
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1.3 NORMAS EMPLEADAS
Las cargas de gravedad y de sismo que se utilizaran para el análisis estructural y en
el diseño de los diferentes elementos estructurales, deberán cumplir con lo señalado en el
Reglamento Nacional de Edificaciones R.N.E. en la Norma Técnica de Edificaciones E-0.20
de Cargas, E-030 de Diseño Sismoresistente y E-060 de Concreto Armado.
1.4 CARGAS DE DISEÑO
La Norma Técnica E-020 recomienda valores mínimos para las cargas que se deben
considerar en el diseño de una estructura, dependiendo del uso al cual está diseñada la
misma. Las cargas a considerar son las denominadas: muertas, vivas y de sismo.
Consideramos como carga muerta (CM) al peso de los materiales, equipos, tabiques y otros
elementos soportados por la estructura, incluyendo su peso propio que se suponen serán
permanentes. Como carga viva (CV), al peso de los ocupantes, materiales equipo, muebles
y otros elementos móviles. Finalmente las cargas de sismo (CS) son aquellas que se
generan debido a la acción sísmica sobre la estructura.
Los elementos de concreto armado de la estructura están diseñados mediante el método de
diseño por resistencia. Este consiste en amplificar las cargas actuantes o de servicio
Figura 1.1: Vista en planta, distancia entre ejes
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Solici tación
- Flexión
- Tracción y Tracción + Flexión
- Cortante
- Torsión
- Cortante y Torsión
- Compresión y Flexocompresión
Elementos con espirales
Elementos con estribos
FACTORES DE REDUCCION DE RESISTENCIA
Factor de Reducción
0.90
0.90
0.85
0.85
0.85
0.75
0.70
mediante factores y reducir la resistencia teórica de los elementos considerando factores de
reducción.
En la Norma E-060 del Reglamento Nacional de Edificaciones R.N.E. se establece la
combinación de cargas actuantes con sus respectivos factores de amplificación, siendo
éstas las siguientes:
Además, el reglamento establece factores de reducción de resistencia en los siguientes
casos:
Resumiendo, para el diseño de los elementos estructurales se debe cumplir que:
1.5 MATERIALES
Para realizar el diseño se han considerado los siguientes materiales:
i) Acero de Refuerzo: Se usaran barras de acero corrugado del tipo Grado 60.
Las principales propiedades de estas barras son las siguientes:
Cuadro 1.3
Dónde: CM: Carga Muerta
CV: Carga Viva
CS: Carga de Sismo
Cuadro 1.4
Resistencia de Diseño ≥ Resistencia Requerida (U)
Resistencia de Diseño = ϕ Resistencia Nominal
COMBINACIONES DE CARGAS PARA
DISEÑO = . . = . = .
Límite de Fluencia: f ′y = 4 200 kg cm2⁄
Módulo de Elasticidad: E = 2 000 000 kg cm2⁄
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ii) Concreto Armado: Llamado así al concreto que tiene acero corrugado de
refuerzo para que, actuando ambos como un solo material, puedan resistir los
esfuerzos aplicados a los elementos estructurales. Sus propiedades varían de
acuerdo al tipo de concreto y acero:
COMPONENTES DEL CONCRETO ARMADO
- Cemento Portland.- El cemento a usarse para la preparación del
concreto será Cemento Portland, el cual debe cumplir los requisitos
impuestos por el ITINTEC para cemento Portland del Perú.
- Agua.- El agua a emplearse en la preparación del concreto debe
encontrarse libre de materia orgánica, fango, sales ácidos y otras
impurezas y si se tiene duda del agua a emplear realizar los ensayos
químicos de determinación de la calidad.
- Agregados.- Son primordiales en los agregados las características de
densidad, resistencia, porosidad y la distribución volumétrica de las
partículas llamada también granulometría o gradación.
- Aditivos.- Se usarán de acuerdo a las modificaciones de las
propiedades del concreto que uno desee menos la resistencia, los
aditivos son muy sensitivos y dependen de la arena, piedra, agua y
cemento que se utilicen.
Peso Unitario: Pu = 2 400 kg m3⁄
Resistencia especificada a la compresión: f ′y = 4 200 kg cm2⁄
Módulo de Poisson: Vc = 0.2
Módulo de Elasticidad: E = 15 000 √f′c = 217 370.65 kg cm2⁄
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2.1 CRITERIOS DE ESTRUCTURACION
La estructuración consiste en definir la ubicación y las características de todos los
elementos estructurales, tales como las losas aligeradas, vigas y columnas de tal forma que
el edificio tenga un buen comportamiento ante solicitaciones de cargas de gravedad y de
sismo.
La estructuración de ser lo más simple posible, no para facilitar los cálculos, sino porque la
estructuración simple va a tener un mejor comportamiento sísmico.
Por lo tanto es muy recomendable seguir los siguientes criterios de estructuración para
lograr una estructura Sismoresistente:
SIMPLICIDAD Y SIMETRIA
La experiencia ha demostrado repetidamente que las estructuras simples se
comportan mejor durante los sismos. Hay dos razones principales para que esto sea
así. Primero, nuestra habilidad para predecir el comportamiento sísmico de una
estructura es marcadamente mayor para las estructuras simples que para las
complejas; y segundo, nuestra habilidad para idealizar los elementos estructurales es
mayor para las estructuras simples que para las complicadas.
La simetría de la estructura en dos direcciones es deseable por las mismas razones;
la falta de simetría produce efectos torsionales que son difíciles de evaluar y pueden
ser muy destructivos.
RESISTENCIA Y DUCTILIDAD
Las estructuras deben tener resistencia sísmica adecuada por lo menos en dos
direcciones ortogonales o aproximadamente ortogonales, de tal manera que se
garantice la estabilidad tanto de la estructura como un todo, como de cada una de sus
elementos.
Las cargas deben transferirse desde su punto de aplicación hasta su punto final de
resistencia.
La característica fundamental de la solicitación sísmica es su eventualidad; por esta
razón, las fuerzas de sismo se establecen para valores intermedios de la solicitación,
confiriendo a la estructura una resistencia inferior a la máxima necesaria, debiendo
complementarse el saldo otorgándole una adecuada ductilidad.
CAPÍTULO II
Estructuración y Predimensionamiento
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Esto requiere preparar a la estructura para ingresar en una etapa plástica, sin que se
llegue a la falla.
Otro antecedente importante que debe ser tomado en cuenta en la concepción de
estructura aporticadas, es la ubicación de las rótulas plásticas. El diseño debe tender
a que estas se produzcan en los elementos que contribuyan menos a la estabilidad
de la estructura, por esta razón, es conveniente que se produzcan en las vigas antes
que en las columnas.
Los criterios de ductilidad deben también extenderse al dimensionamiento por corte,
ya que en el concreto armado la falla por corte es de naturaleza frágil. Para lograr este
objetivo, debe verificarse en el caso de una viga, que la suma de los momentos
flectores extremos divididos por la luz sea menor que la capacidad resistente al corte
de la viga; y en general para cualquier elemento, que la resistencia proporcionada por
corte sea mayor que la resistencia proporcionada por flexión.
HIPERESTATICIDAD Y MONOLITISMO
Como concepto general de diseño Sismoresistente, debe indicarse la conveniencia de
que las estructuras tengan una disposición hiperestática; ello logra una mayor
capacidad resistente.
En el diseño de estructuras donde el sistema de resistencia sísmica no sea
hiperestático, en necesario tener en cuenta el efecto adverso que implicaría la falla de
uno de los elementos o conexiones en la estabilidad de la estructura.
UNIFORMIDAD Y CONTINUIDAD DE LA ESTRUCTURA
La estructura debe ser continua tanto en planta como en elevación, con elementos
que no cambien bruscamente su rigidez, para evitar la concentración de esfuerzos.
RIGIDEZ LATERAL
Para que una estructura pueda resistir fuerzas horizontales sin tener deformaciones
importantes, será necesario proveerla de elementos estructurales que aporten rigidez
lateral en sus direcciones principales.
Las estructuras flexibles tienen la ventaja de ser más fáciles de analizar y de alcanzar
la ductilidad deseada. Sus desventajas son: que el pórtico flexible tiene dificultades en
el proceso constructivo ya que puede existir gran congestionamiento de acero en los
nudos, que los elementos no estructurales pueden invalidar el análisis ya que al ser
difíciles de separar completamente de la estructura es posible que introduzcan una
distribución diferente de esfuerzos y que las deformaciones son significativas siendo
a menudo excesivas.
Las estructuras rígidas tienen la ventaja de no tener mayores problemas constructivos
y no tener que aislar y detallar cuidadosamente los elementos no estructurales, pero
poseen la desventaja de no alcanzar ductilidades elevadas y su análisis es más
complicado.
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Actualmente es práctica generalizada la inclusión de muros de corte en edificios
aporticados a fin de tener una combinación de elementos rígidos y flexibles. Con esto
se consigue que el muro limite la flexibilidad del pórtico, disminuyendo las
deformaciones, en tanto que el pórtico le confiere la hiperestaticidad al muro,
otorgándole mejor posibilidad de disipación de energía sísmica.
EXISTENCIA DE LOSAS QUE PERMITEN CONSIDERAR A LA ESTRUCTURA
COMO UNA UNIDAD (Diafragma rígido)
En los análisis es usual considerar como hipótesis básica la existencia de una losa
rígida en su plano, que permite la idealización de la estructura como una unidad,
donde las fuerzas horizontales aplicadas pueden distribuirse en las columnas de
acuerdo a su rigidez lateral, manteniendo todas una misma deformación lateral para
un determinado nivel.
ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES
Otro aspecto que debe ser tomado en cuenta en una estructuración es la influencia
de los elementos secundarios.
Si la estructura está conformada básicamente por pórticos, con abundancia de
tabiquería, esta no se podrá despreciar en el análisis, pues su rigidez será apreciable.
Si la estructura es rígida, estando conformada por muros de concreto (placas) y
pórticos es probable que la rigidez de los tabiques de ladrillo sea pequeña en
comparación con la de los elementos de concreto armado; en estos casos, despreciar
en el análisis los tabiques no será tan importante.
2.2 ESTRUCTURACION
Se ha buscado una disposición apropiada de los distintos elementos resistentes, de
tal forma que la estructura sea capaz de soportar todas las solicitaciones a las que sea sujeta
en su vida útil y a la vez sea también estética, funcional y económica.
Se usó losas aligeradas que son las más comunes en nuestro país, por las siguientes
razones:
El hecho de empotrar las tuberías de desagüe en la losa, lo cual obliga a usar como
mínimo espesores de 17 y/o 20 𝑐𝑚. Una losa maciza de este peralte es demasiado
cara y pesada.
El hecho que la mano de obra sea relativamente económica hace que el costo de la
colocación del ladrillo hueco no influya en el costo total de la obra.
El menor costo de un encofrado para losas aligeradas en relación a los encofrados
de las demás losas.
El criterio práctico y la experiencia adquirida por muchos expertos en diseño de
concreto armado indica que una losa aligerada es económica hasta una luz de 7 𝑚
aproximadamente.
Se ha techado en la dirección de menor longitud, con la finalidad de evitar que los
esfuerzos por flexión y cortante y las deformaciones sean de gran magnitud.