ALBAÑELERIA CONFINADA
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VII. MARCO TEORICO
7.1. ESTRUCTURACION
Se denomina así al proceso de selección de los principales elementos
estructurales que soportan el peso total de la edificación incluido las sobrecargas,
así mismo permite determinar cuáles serán los principales ejes y los secundarios,
sobre las cuales se distribuirán los elementos seleccionados.
Esta distribución se realiza sobre un plano arquitectónico y de ser posible, cuando
está en juego la seguridad estructural, el ingeniero puede modificar la distribución
arquitectónica.
7.1.1. Criterios de estructuración
El diseño de la estructura ante cargas de gravedad y de sismo debe de garantizar la seguridad de las personas que se encuentran en el interior de la misma, además de permitir el buen desempeño de los elementos no estructurales como tabiques, ventanas, etc.
Ante la ocurrencia de un sismo severo se permiten daños estructurales dando tiempo a las personas para que puedan evacuar la edificación. Los criterios que se adoptarán para la estructuración son los siguientes:1
Simplicidad y simetría. Las estructuras deben de ser lo más simples y simétricas
posibles, respetando las distribuciones arquitectónicas. Además se sabe que las
estructuras simples se pueden modelar y predecir mejor su comportamiento.
Resistencia. Una estructura debe de tener una adecuada resistencia ante cargas
de gravedad y sísmicas en las direcciones principales, para poder garantizar su
estabilidad.
1 “DISEÑO DE UN EDIFICIO DE DEPARTAMENTOS DE SEIS PISOS EN SURCO”, Victor A. Farfan Carneiro, PUCP, 2011.
Continuidad de las estructura. En la estructuración de un edificio, es bueno
tener todos los elementos verticales tanto vigas como placas continuos en
todos los pisos. Con esto se evitan las concentraciones de esfuerzos.
Diafragma rígido. La estructura debe de tener losas rígidas de tal manera
que se puedan trasmitir las fuerzas horizontales de sismo a los elementos
resistentes a dichas fuerzas como son los pórticos. De esta manera se logra
que cada elemento resistente tome una fuerza proporcional a su rigidez
lateral.
Rigidez lateral. Cuando ocurren los sismos se producen mayores
deformaciones en las estructuras flexibles que en las más rígidas, lo cual
conlleva a tener mayores daños en el edificio. Es por esta razón que se
busca tener una estructura con elementos estructurales suficientes para no
tener deformaciones importantes.
7.2. PREDIMENSIONAMIENTO
En esta etapa se determinan las dimensiones iniciales de los principales
elementos selecciones en la etapa anterior y para el modelo estructural
definido.
7.2.1. CRITERIOS DE PREDIMENCIONAMIENTO
ALIGERADOS
El Reglamento Nacional de Construcciones da peraltes mínimos para no verificar deflexiones: “En losas aligeradas continuas conformadas por viguetas de 10 cm. de ancho, bloques de ladrillo de 30 cm. de ancho y losa superior de 5 cm., conSobrecargas menores a 300 Kg/cm2 y luces menores de 7.5 m. , el peralte debe cumplir : h ≥ L / 25 ” (1) NTE E.60 Concreto Armado. Acápite 10.4.1.1
Así tenemos:
h ≥ 492.5/25h ≥ 19.7 cm.
Se debería usar un peralte total de 20 cm. pero al diseñar el aligerado se obtienen cuantías de acero muy altas y además como los esfuerzos de corte son altos obliga a retirar muchos ladrillos para aumentar la resistencia de corte de la vigueta, por lo que se optó por un peralte de 25 cm.En los tramos donde la sobrecarga es mayor de 300 Kg/cm2 , como es el caso de los corredores se tendrá que verificar las deflexiones.
VIGAS
Al predimensionar las vigas, se tiene que considerar la acción de cargas de gravedad y de sismo. Hay criterios prácticos que, de alguna manera, toman en cuenta la acción de combinada de cargas verticales y de sismo, a continuación se muestra alguno de estos criterios.
h = L / 12 @ L / 10h = L / 10 (criterio práctico frente a sismos )b = 0.3 h @ 0.5 h
De acuerdo a los criterios anteriores:Vigas principales : h = 550/10 ; h = 60 cm ; b = 25 cmVigas secundarias : h = 470/10 ; h = 50 cm ; b = 25 cmCOLUMNAS
Se siguió el criterio de dimensionamiento por carga vertical, pues en la edificación se ha usado el sistema mixto de pórticos y muros de corte, el cual permite que los momentos en las columnas debido a sismo se reduzcan muy considerablemente.Para este tipo de edificio se recomiendan los siguientes criterios de predimensionamiento:
a) Columnas Centrales :Area =P (servicio)/0.45 * f´c
b) Columnas Exteriores o Esquineras:Area =P (servicio)/0.35 * f´c
PLACASEs difícil poder fijar un dimensionamiento para las placas puesto que, como su principal función es absorber las fuerzas de sismo, mientras más abundantes o importantes sean tomarán un mayor porcentaje del cortante sísmico total, aliviando más a los pórticos.Se han considerado placas de 25 cm. de espesor por ser éste el ancho de las vigas.La evaluación final de la longitud de las placas se hizo después de realizar el análisis sísmico, en donde se buscó una adecuada rigidez lateral en ambas direcciones.
CISTERNA Y TANQUE ELEVADO
La cisterna será construida en concreto armado en su totalidad, con paredes de espesor de 20 cm. , y estará ubicada en la parte baja del edificio.El tanque elevado será también de concreto armado en su totalidad y estará ubicado encima de la escalera, las dimensiones serán calculadas de acuerdo a lo estipulado en el Título X del Reglamento Nacional de Construcciones.
4.2.2. LOSAS ALIGERADAS DE UN SENTIDO
El predimensionamiento se refiere al espesor o altura de la losa. Según la norma E.060 y recomendaciones empíricas la altura de la losa deberá cumplir:
L: Luz más crítica entre ejes.
4.2.3. VIGAS PRINCIPALES QUE SOPORTAN LOSAS ARMADAS EN UN SENTIDO
Se recomienda desde el punto de vista de la sobrecarga lo siguiente:
DIMENSIONES USOS/C
[kg/m2]α β
Alto – VPOficinas y
departamentos250 12 13
Garajes y tiendas 500 11 11
Base – VP Depósitos A:
Bibliotecas750 10 10
Depósitos B: 1000 9 9
Longitud libre (luz más crítica entre ejes)
A: Ancho de área tributaria.
Fuente: “DISEÑO EN CONCRETO ARMADO”, Roberto Morales, ICG, Ed 2004
4.2.4. VIGAS SECUNDARIAS
4.2.5. COLUMNAS
El predimensionamiento quedara recomendada a las reglas japonesas para estructuras sometidos a sismo.
Las columnas se pre dimensionaran con:
Donde:
D: Dimensión de la sección en la dirección del análisis sísmico de la columna.
b: La otra dimensión de la sección de la columna.
P: Carga total que soporta la columna.
n: Valor que depende del tipo de columna.
f'c: Resistencia del concreto a la compresión simple.
TABLA 1
Tipo C1
(para los primeros pisos)
Columna interior
N > 4 pisos
P = 1.10
PG
n = 0.30
Tipo C1
(para los 4 últimos pisos
superiores)
Columna interior
N > 3 pisos
P = 1.10
PG
n = 0.25
Tipo C2, C3
Columnas extremas
de pórticos
interiores
P = 1.25
PG
n = 0.25
Tipo C4Columna de
esquina
P = 1.50
PG
n = 0.20
PG: Debido a carga de gravedad.
P: Debido a carga de sismo.
4.3. METRADO DE CARGAS
El diseño para éste proyecto se realizará en base al actual “Reglamento
Nacional de Edificaciones” (RNE) el cual a su vez se divide en los siguientes
capítulos de acuerdo a las etapas de diseño:
Norma E.020 Cargas
4.3.1. CARGAS UNITARIAS:
Los materiales que se emplearán para la construcción del edificio, así como sus
respectivos pesos específicos, son los que se indican a continuación:
Pesos específicos de los materiales
Concreto armado = 2400 Kg/m3
Albañilería (ladrillo sólido) = 1800 Kg/m3
Agua = 1000 Kg/m3
Puertas = 700 Kg/m3
Pesos por unidad de área o longitud
Aligerados (h=0.17) = 280 Kg/m2
Aligerados (h=0.20) = 300 Kg/m2
Aligerados (h=0.25) = 350 Kg/m2
Aligerados (h=0.30) = 420 Kg/m2
Losas macizas (h=0.15) = 360 Kg/m2
Losas macizas (h=0.20) = 480 Kg/m2
Tabiquería de ladrillo (e=0.15) = 285 Kg/m2
Tabiquería de ladrillo (e=0.25) = 500 Kg/m2
Acabados de losa = 100 Kg/m2
Ventanas = 50 Kg/m2
Sobrecargas
Aulas = 250 Kg/m2
Corredores y Escaleras = 400 Kg/m2
Azoteas = 100 Kg/m2
Fuente: Norma E.020, Apuntes de clase de “Análisis Estructural”
4.3.2. RESISTENCIA Y DE SERVICIO
Las estructuras y los elementos estructurales deberán diseñarse para obtener
en todas sus secciones resistencias de diseño (ØRn) por lo menos iguales a las
resistencias requeridas (Ru), calculadas para las cargas y fuerzas amplificadas
en las combinaciones que se estipulan en la Norma. En todas las secciones de
los elementos estructurales deberá cumplirse: Ø Rn ≥ Ru
4.3.3. REQUISITOS GENERALES DE RESISTENCIA
La resistencia requerida para cargas muertas (CM) y cargas vivas (CV) será
como mínimo:
U = 1,4 CM + 1,7 CV
Si en el diseño se tuvieran que considerar cargas de viento (CVi) la resistencia
requerida será como mínimo:
U = 1,25 (CM + CV ±CVi)
U = 0,9 CM ± 1,25 CVi
Si en el diseño se tuvieran que considerar cargas de sismo (CS), la resistencia
requerida será como mínimo:
U = 1,25 (CM + CV) ± CS
U = 0,9 CM ± CS
No será necesario considerar acciones de sismo y de viento simultáneamente.
4.3.4. LOS FACTORES DE REDUCCION DE CAPACIDAD
Los factores de reducción de capacidad Ø, toman en cuenta las inexactitudes
en los cálculos y fluctuaciones en la resistencia del material, en la mano de obra
y en las dimensiones. En las vigas se considera el más alto valor de Ø debido a
que están diseñadas para fallar por flexión de manera dúctil con fluencia del
acero en tracción. En las columnas tienen el valor mas bajo de Ø, puesto que
pueden fallar en modo frágil cuando la resistencia del concreto es el factor
crítico; adicionalmente la falla de una columna puede significar el desplome de
toda la estructura y es difícil la reparación.
TABLA 2
FACTORES DE REDUCCION DE RESISTENCIA – NORMA PERUANA
Flexión 0.90
Tracción y Tracción + Flexión 0.90
Cortante 0.85
Torsión 0.85
Cortante y Torsión 0.85
Compresión y flexo-compresión:
Elementos con Espirales
Elementos con Estribos
0.75
0.70
Aplastamiento en el concreto 0.70
Zonas de anclaje del post-tensado 0.85
Concreto simple 0.85
Fuente: RNE E.060
5. ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL
ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL
El diseño para éste proyecto se realizará en base al actual “Reglamento
Nacional de Edificaciones” (RNE) el cual a su vez se divide en los siguientes
capítulos de acuerdo a las etapas de diseño:
Norma E.020 Cargas
Norma E.030 Diseño Sismoresistente
Norma E.060 Diseño en Concreto Armado
5.1. MÉTODOS DE DISEÑO
Para el diseño de la estructuras de concreto armado se utilizará el Diseño por
Resistencia. Se proporcionará a todas las secciones de los elementos
estructurales Resistencias de Diseño ( Rn) adecuadas, de acuerdo con las
disposiciones de la Norma, utilizando los factores de carga (amplificación) y los
factores de reducción de resistencia .
5.2. CARGAS
La estructura deberá diseñarse para resistir todas las cargas que puedan obrar
sobre ella durante su vida útil.
Las cargas serán las estipuladas en la Norma Técnica de Edificación E.020
Cargas, con las reducciones de sobrecarga que en ella se permiten, y las
acciones sísmicas serán las prescritas en la Norma Técnica de Edificación
E.030 Diseño Sismorresistente. Con mas detalle se desarrolló anteriormente.
5.3. MÉTODOS DE ANÁLISIS
Los elementos estructurales deberán diseñarse para resistir los efectos
máximos producidos por las cargas amplificadas, determinados por medio del
análisis estructural, suponiendo una respuesta lineal elástica de la estructura.
Como alternativa a los métodos de análisis estructural, se permite utilizar para
el análisis por cargas de gravedad de vigas continuas, losas armadas en una
dirección y vigas de pórticos de poca altura, los siguientes momentos y fuerzas
cortantes aproximadas, siempre y cuando se cumplan las siguientes
condiciones:
Haya dos o más tramos.
Las luces de los tramos sean aproximadamente iguales, sin que la
mayor de dos luces adyacentes exceda en más de 20% a la menor.
Las cargas sean uniformemente distribuidas y no existan cargas
concentradas. Las cargas uniformemente distribuidas en cada uno de
los tramos deben tener la misma magnitud.
La carga viva en servicio no sea mayor a tres veces la carga muerta en
servicio.
Los elementos sean prismáticos de sección constante.
Si se trata de la viga de un pórtico de poca altura, este debe estar
arriostrado lateralmente para las cargas verticales.
Momento positivo
(a) Tramos extremos
El extremo discontinuo no está restringido
El extremo discontinuo es monolítico con el
apoyo
(b) Tramos interiores
Momento negativo en la cara exterior del primer apoyo
interior.
(a) Dos tramos:
(b) Más de dos tramos:
Momento negativo en las demás caras de apoyos
interiores
Momento negativo en la cara de todos los apoyos para
losas con luces que no excedan de 3 m y vigas en las
cuales el cociente entre la suma de las rigideces de las
columnas y la rigidez de la viga exceda de 8 en cada
extremo del tramo:
Momento negativo en la cara interior de los apoyos
exteriores para los elementos construidos
monolíticamente con sus apoyos:
Cuando el apoyo es una viga de borde:
Cuando el apoyo es una columna:
Fuerza Cortante
Cara exterior del primer apoyo interior:
Caras de todos los demás apoyos:
El valor de es la luz libre del tramo. Para el cálculo de los momentos
negativos en las caras de los apoyos interiores, se tomará como el
promedio de las luces libres adyacentes.
Fuente: RNE E.060
2.3.5. ANALISIS ESTRUCTURAL CON ETABS9.7.4
ETABS en un programa de análisis y diseño con un propósito especial y
sofisticado, desarrollado específicamente para sistemas de edificaciones.
ETABS versión 9 posee una poderosa e intuitiva interfaz gráfica con
procedimientos de modelaje, análisis y diseño, todos integrados usando una
base de datos común. Aunque fácil y sencillo para estructuras simples,
ETABS también puede manejar los más grandes y complejos modelos de
edificios, incluyendo un amplio rango de comportamientos no lineales,
haciéndolo la herramienta predilecta para ingenieros estructurales en la
industria de la construcción.2
2 “ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL UTILIZANDO EL PROGRAMA ETABS V9”, Ing. Eliud Hernández.