Analisis y Diseño de un edificio de albañilería confinada

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<p> PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATLICA DEL PER Facultad de Ciencias e Ingeniera Ingeniera Civil ALBAILERA ESTRUCTURAL Tercera Prctica - CIV364 Tema : ANLISIS Y DISEO DE UN EDIFICIO DE ALBAILERA CONFINADA Profesor : Ing. ngel San Bartolom Ramos Grupo : N 2 Alumnos : Karina Flores Huiman 19961163 Irma Alvarado Lara 19990245 Carlos Asalde Wong 19990318 Fiorella Rojas Rivera 19992142 - 28 de J unio del 2004 - Albailera Estructural Grupo Nro. 2 Pontificia Universidad Catlica del Per 2 NDICE 1. CARACTERSTICAS DEL EDIFICIO........................................................................... 5 1.1. CARACTERSTICAS GEOMTRICAS............................................................................ 5 1.2. CARACTERSTICAS DE LOS MATERIALES................................................................... 6 1.3. CARGAS UNITARIAS ................................................................................................. 6 2. ESTRUCTURACIN Y PREDIMENSIONAMIENTO................................................... 6 2.1. ESFUERZO AXIAL MXIMO ....................................................................................... 7 2.2. DENSIDAD MNIMA DE MUROS REFORZADOS EN CADA DIRECCIN............................ 8 3. METRADO DE CARGAS.............................................................................................. 9 3.1. CARGAS DIRECTAS.................................................................................................. 9 3.1.1. Cargas Directas en Piso Tpico: ............................................................................ 9 3.1.2. Cargas Directas en Azotea: ................................................................................... 9 3.2. CARGAS INDIRECTAS (PROVENIENTES DE LA LOSA Y ESCALERA): ............................. 9 3.2.1. Escalera (1tramo) ................................................................................................. 9 3.2.2. Losa Maciza (2 direcciones).................................................................................10 3.3. CARGAS GRAVITACIONALES....................................................................................11 3.3.1. Cargas Gravitacionales en el Piso Tpico..............................................................11 3.3.2. Cargas Gravitacionales en la Azotea....................................................................12 4. CENTRO DE MASA.....................................................................................................15 4.1. EXCENTRICIDADES ACCIDENTALES .........................................................................15 5. CARGAS AXIALES ACUMULADAS EN CADA MURO (PG = PD + 0.25 PL) .........16 6. ANALISIS ESTRUCTURAL ANTE EL SISMO MODERADO...................................16 6.1. FUERZA CORTANTE EN LA BASE (SISMO MODERADO) ...............................................16 6.2. FUERZA DE INERCIA (SISMO MODERADO) ................................................................17 6.3. CORTANTE DE ENTREPISO (SISMO MODERADO).......................................................17 6.4. CORTANTE DE ENTREPISO (SISMO SEVERO) ............................................................17 7. MODELAMIENTO........................................................................................................18 7.1. SECCIONES TRANSVERSALES DE LOS MUROS ........................................................19 7.2. MODELAMIENTO DE LOS EJES .................................................................................22 7.3. MODELAMIENTO DE LA ESCALERA...........................................................................24 8. ANLISIS SSMICO.....................................................................................................26 8.1. RESULTADO DE DESPLAZAMIENTOS ........................................................................26 Albailera Estructural Grupo Nro. 2 Pontificia Universidad Catlica del Per 3 8.2. RESULTADO DE PG, FUERZAS CORTANTES Y MOMENTOS FLECTORES ...................26 8.2.1. DIAGRAMAS DE FUERZAS CORTANTES...........................................................28 8.2.2. DIAGRAMAS DE MOMENTOS FLECTORES .......................................................29 9. VERIFICACIONES NECESARIAS PARA EL DISEO DE LOS MUROS CONFINADOS ANTE SISMOS MODERADOS Y SEVEROS............................................30 9.1. RESISTENCIA AL AGRIETAMIENTO DIAGONAL ..........................................................30 9.2. VERIFICACIN AL CORTE - CONTROL DE FISURACIN ..............................................30 9.3. VERIFICACIN DE LA RESISTENCIA AL CORTE DEL EDIFICIO......................................30 9.4. CLCULO DE LAS FUERZAS INTERNAS AMPLIFICADAS...............................................30 10. DISEO DE LOS MUROS DEL PRIMER PISO ANTE SISMO SEVERO (AGRIETAMIENTO POR CORTE) ......................................................................................32 10.1. VERIFICACIN DE LA NECESIDAD DE COLOCAR REFUERZO HORIZONTAL EN LOS MUROS. ..............................................................................................................................32 10.2. SECUENCIA DE DISEO DE LAS COLUMNAS DE CONFINAMIENTO...............................33 10.2.1. Diseo de columnas del primer nivel (Piso Agrietado): .......................................34 10.2.2. Diseo de Vigas Soleras: .................................................................................37 11. DISEO DE COLUMNAS SUPERIORES AL PRIMER NIVEL..................................37 11.1. SECUENCIA DE DISEO DE LAS COLUMNAS DE CONFINAMIENTO...............................37 11.1.1. Diseo de columnas de los niveles superiores:..................................................37 11.1.2. Diseo de Vigas Soleras: .................................................................................38 12. DISEO DE ALFIZAR. ..............................................................................................42 13. VARIACIONES DEL PROYECTO DE NORMA DE ALBAILERA E 070 RESPECTO A LA NORMA VIGENTE................................................................................49 14. BIBLIOGRAFA............................................................................................................49 Albailera Estructural Grupo Nro. 2 Pontificia Universidad Catlica del Per 4 INTRODUCCIN Las construcciones en el Per se han venido realizando en su mayor parte en base al sistema de albailera, tanto el sistema de albailera confinada como el sistema de albailera armada. Ms del 50% de estas construcciones son realizadas por autoconstruccin con muy pocas consideraciones ingenieriles, mala calidad de los materiales empleados y psimos procedimientos constructivos. Por estas razones se hace evidente el estudio, investigacin y difusin de una nueva Norma de albailera que pueda cumplir con todas las solicitaciones ssmicas y estticas que se necesitan para las distintas regiones de nuestro pas. El presente informe ofrece un ejemplo de los procedimientos y pasos que se deben realizar para estructurar, analizar y disear un edificio de albailera confinada segn lo establecido en la nueva Norma E 070; cubriendo todo su rango de comportamiento, tanto en la etapa elstica como en la probable incursin inelstica. El propsito de este diseo es proteger a la estructura de daos producidos ante sismos moderados buscando que sta se comporte elsticamente; adems busca que la estructura no colapse ante sismo severo y pueda ser reparable, para esto se deben restringir los desplazamientos de entrepiso a unos valores estipulados por la Norma, asegurando la ductilidad del edificio. Para cumplir con los fines anteriormente mencionados y considerando que el Per es un pas ssmico, la nueva Norma considera varias verificaciones y consideraciones a tomar en cuenta en el diseo, que son coherentes con lo estipulado en la Norma Ssmica E 030, garantizando proveer a la estructura de gran rigidez y disminuir por ende los requerimientos de desplazamiento que se generan en una estructura flexible. De igual manera presentamos en el presente informe las consideraciones que hemos tenido para el anlisis del edificio ante fuerzas ssmicas, las premisas que hemos asumido y los pasos considerados; este anlisis fue desarrollado haciendo uso del programa computacional SAP 2000. La Norma acepta, as mismo, que estos valores puedan ser calculados haciendo uso de cualquier procedimiento racional de anlisis. Albailera Estructural Grupo Nro. 2 Pontificia Universidad Catlica del Per 5 1. CARACTERSTICAS DEL EDIFICIO La figura corresponde a la planta tpica de un edificio de 4 pisos destinado a oficinas, ubicado en Lima sobre un suelo de buena calidad (cascajo). Se pide disear a los muros X1, X2 y Y1, bajo las siguientes condiciones: 1.1. Caractersticas geomtricas Se considerarn las siguientes dimensiones en las estructuras; en cuanto al espesor efectivo se verificar que cumpla con lo dispuesto en Norma: Altura libre de albailera: h = 2.4 m Espesor efectivo de los muros: t = 0.13 m En este caso, por estar el edificio ubicado en la zona ssmica 3; t h / 20 t 240 / 20 = 12 cm t 12 cm. Vigas soleras y dinteles: 0.15 x 0.30 m Alfizar y parapetos en la azotea: h = 1.0 m Losa maciza: t = 0.12 m Garganta de la escalera: t = 0.12 m Descanso de la escalera: t = 0.16 m Notas: - Los parapetos estn colocados en el permetro de la azotea y sobre el muro Y2. - Los muros del alfizar y los parapetos sern construidos con ladrillo pandereta. - Los alfizares de ventanas sern aislados de la estructura principal. Albailera Estructural Grupo Nro. 2 Pontificia Universidad Catlica del Per 6 1.2. Caractersticas de los materiales Los materiales que emplearn en la construccin de este edificio presentarn las siguientes caractersticas: Concreto: f`c = 175 kg/cm2 = 0.175 ton/cm2 Acero: fy = 4200 kg/cm2 = 4.2 ton/cm2 Albailera: Pilas: fm = 85 kg/cm2 = 850 ton/m2 Muretes: vm = 9.2 kg/cm2 = 92 ton/m2 Ladrillo: Slido de arcilla tipo V. Mximo 30% de perforaciones. Mortero: 1:4 (cemento: arena gruesa) 1.3. Cargas Unitarias Concreto Armado: = 2.4 ton/m3 Losa Maciza: 2.4 tn/m3 x 0.12 = 0.288 ton/m2 Acabados: 0.10 ton/m2 Sobrecarga de azotea: 0.10 ton/m2 Sobrecarga de oficina: 0.25 ton/m2 Sobrecarga de escalera: 0.40 ton/m2 Muros de albailera tartajeada: 0.0019 ton/m2.cm x 15 cm = 0.285 ton/m2 Alfizar y parapetos tartajeados: 0.0014 ton/m2.cm x 15 cm = 0.21 ton/m2 Ventanas: 0.02 ton/m2 2. ESTRUCTURACIN Y PREDIMENSIONAMIENTO Para considerar nuestra estructura como albailera confinada, los muros portantes deben cumplir las siguientes condiciones: Quedarn enmarcados en sus cuatro lados por elementos de concreto armado verticales (columnas) y horizontales (vigas soleras), aceptando la cimentacin de concreto como elemento de confinamiento horizontal para los muros del primer nivel. Se asumir inicialmente columnas de confinamiento de 0.15 x 0.15 m (peralte mnimo y espesor de columna mayor al espesor efectivo del muro). Efectuando las consideraciones anteriores, se verificar: Esfuerzo Axial Mximo en el muro ms cargado. Densidad Mnima de Muros Reforzados en cada direccin Albailera Estructural Grupo Nro. 2 Pontificia Universidad Catlica del Per 7 2.1. Esfuerzo Axial Mximo Se comprobar que el esfuerzo axial generado por la mxima carga de gravedad de servicio y el 100% de sobrecarga en el muro X2 del primer piso (el ms cargado) sea inferior a: m mmm fthfL t P' 15 . 0351 ' 2 . 0211]1</p> <p>,_</p> <p> Calculamos las cargas en el muro X2: Peso propio: 0.285 x 2.4 x 3.15 x 4 = 8.618 ton Solera: 0.15 x 0.30 x 3.9 x 2.4 x 4 = 1.685 ton Confinamiento delos Muros dealbailera con columnas de 0.15 x 0.15 mrea tributaria correspondienteal Muro X2 Albailera Estructural Grupo Nro. 2 Pontificia Universidad Catlica del Per 8 Losa: (0.288 + 0.10) x 8.94 x 4 = 13.875 ton Sobrecarga: 0.25 x 8.94 x 3 + 0.1 x 8.94 = 7.599 ton Pm = 31.78 ton Luego verificamos que la mxima carga axial encontrada en el muro X2 es menor al 15% m como lo exige la Norma 2 2225 . 127 ' 15 . 0 / 7 . 12213 . 0 354 . 21 850 2 . 0 61 . 77) 15 . 3 13 . 0 (78 . 31m ton f m tonxm tonx m m 11]1</p> <p>,_</p> <p> Nota: Si se empleara otro tipo de albailera como: King Kong industrial de arcilla, tenemos: Pilas: fm = 65 kg/cm2 = 650 ton/m2 Y hallando el esfuerzo axial: m = Pm / t * L = 31.78 / (0.13 * 3.15) = 77.61 ton/m2 = 0.2 * f m*( 1 (h/35*t)2) = 93.83 ton/m2 = 0.15* f m = 97.5 ton Ok!! Con lo que verificamos que es posible emplear una albailera de menos calidad, hasta el las clculos realizados hasta el momento. 2.2. Densidad Mnima de Muros Reforzados en cada direccin La densidad mnima de muros a reforzar en cada direccin del edificio se obtendr mediante la siguiente expresin: 56 N S U ZApt LTpica Planta la de rea reforzados Muros los de Corte de rea Donde: Z = factor de zona (Lima est en zona 3): 0.4 U = factor de uso (oficinas): 1.0 S = factor de suelo (cascajo duro): 1.0 N = nmero de pisos del edificio: 4.0 Ap = rea de la planta tpica: 7.45 x 12.30 = 91.64 m2 L = longitud total del muro confinado t = espesor efectivo del muro: 0.13 m Se debe cumplir entonces para cada direccin: 0286 . 0564 0 . 1 0 . 1 4 . 0 x x xApt L En X-X: L t = (3.15 x 6 + 3.00) x 0.13 = 2.85 m2 L t / Ap = 2.85 / 91.64 = 0.031 &gt; 0.0286 ... Ok! En Y-Y: L t = (7.45 x 2+ 3.3 x 2) x 0.13 = 2.8 m2 L t / Ap = 2.80 / 91.64 = 0.03 &gt; 0.0286 ... Ok! Albailera Estructural...</p>