Memoria Estructura Metalica Cusco

M E M O RI A D E CÁ C ÁL CU L O

1. PROYECTO ESTRUCTURAL ................................................................ .................................................. 2 1.1 OBJETIVO DEL ANÁLISIS ESTRUCTURAL. .......................................................................... .................. 2 1.2 CARGAS ............................................................................................................................................... 3 1.2.1 CARGA MUERTA ........................................................... ................................................................. ....... 3 1.2.2 CARGA VIVA ...................................................... ................................................................. .................. 4 1.2.3 CARGA DE NIEVE. ................................................................................................................................ 4 1.2.4 CARGA POR SISMO ............................................................................................................ .................. 6 1.2.5 CARGA DE VIENTO ....................................................... ................................................................. ....... 9 1.1 COMBINACIONES DE CARGA ............................................................................................................. 11 1.2 DESPLAZAMIENTOS DESPLAZAMIENTOS PERIODOS DE VIBRACIÓN Y FRECUENCIAS FRECUENCIAS MODALES. ................................... 13 2. ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL ESTRUCTURAL ................................................................................................... 15 2.1 ANALISIS ESTRUCTURAL ESTRUCTURAL Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA METALICA. METALICA. ................................................ 15 2.1.1 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA EN 3 DIMENSIONES ............................................................. ................ 17 2.1.2 DISEÑO DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES .................................................... ........................... 21 3. CONCLUSIONES ........................................................... ................................................................. ..... 24

1

M E M O R I A D E C ÁL ÁL C U L O

1.

PROYECTO ESTRUCTURAL

CONDICIONES CONDICIONES DEL EDIFICIO Para darle la adecuada rigidez lateral y resistencia sísmica, la estructura de la edificación está compuesta por muros de corte, columnas y vigas de concreto armado, ubicados en ambos sentidos, formando pórticos simples y mixtos El análisis estructural de la cobertura metálica se elabora para cada condición de carga, a saber: carga muerta, carga viva que sería la sobrecarga, carga de nieve, cargas de viento y análisis dinámico con espectro de respuesta. La estructura es de acero y se realizara el diseño y el análisis con ayuda del programa ETABS. 1.1

OBJETIVO DEL ANÁLISIS ESTRUCTURAL. 



En la presente memoria de cálculo se diseñar una estructura metálica que será capaz de soportar cargas de sismo, cargas de nieve o granizo, cargas de viento y la sobrecarga según RNE. Presentar una alternativa de reforzamiento en caso que la estructura falle por fuerzas sísmicas.

Tubos rectangulares de acero

2


CONFIGURACIÓN CONFIGURACIÓN DE LA ESTRUCTURA METALICA. Estructura Metálica curva

Estructura Metálica curva

Columna C°A° 0.25mx0.25m

Columna C°A° 0.50mx0.50m

Muro de Albañilería 0.15m

Fig. 01 Modelo Tridimensional Tridimensional de la Estructura 1.2 1.2.1

CARGAS CARGA MUERTA

Para el valor de la carga muerta se ha determinado el área tributaria para cada nudo los materiales empleados y con sus pesos. El material utilizado en los tijerales es de acero peso = 7.85ton/m3. Su propio peso. Cobertura liviana de calamina de 0.22mm de dimensiones de 0.80mx3.60m El material utilizado en las columnas y vigas es de concreto armado peso = 2.4ton/m3. Albañilería con enlucido = 1900 kg/m3

Fig. 02 Asignación de Carga Muerta

3

M E M O R I A D E C ÁL ÁL C U L O 1.2.2

CARGA VIVA

Dentro de los alcances del proyecto está la presencia de una carga según reglamento nacional de edificaciones E 0.20 la carga viva. Para techos curvos = 50 kg/m2

Fig. 03 Asignación de Carga Viva. 1.2.3

CARGA DE NIEVE.

Dentro de los alcances del proyecto está la presencia de una carga según reglamento nacional de edificaciones E 0.20 la carga de nieve. La estructura y todos los elementos de d e techo que estén expuestos a la l a acción de cargas de nieve niev e serán diseñados para resistir las cargas producidas por la posible acumulación de la nieve en el techo. La sobrecarga de nieve en una superficie cubierta es el peso de la nieve que, en las condiciones climatológicas más desfavorables, puede acumularse sobre ella. En zonas en las cuales exista posibilidad de nevadas importantes, deberá prestarse especial atención en la selección apropiada de las pendientes de los techos. 

Carga básica de nieve sobre el suelo (Qs).

4

M E M O R I A D E C ÁL ÁL C U L O 

Carga de nieve sobre los techos (Qt).

Para techos curvos

= 40 kg/m2

Fig. 04 Asignación de Carga Nieve.

5


CARGA POR SISMO

El análisis sísmico se realiza de acuerdo a la NTE 030 de diseño sismo-resistente s ismo-resistente y en base al método espectral y para ello se calcula el espectro de respuesta de aceleración de diseño para el coliseo. Es oportuno destacar aquí que la fuerza inercial inducida por los sismo son mínimas debido a que la estructura es ligero y por su masa mínima. Esta norma se aplica al diseño de todas las edificaciones nuevas, a la evaluación y reforzamiento de las edificaciones existentes y a la reparación de las edificaciones edificac iones que resultaran dañadas por la acción de los sismos.

Siendo los objetivos:  



Resistir sismos leves sin daño. Resistir sismos moderados considerando la posibilidad de daños estructurales leves. Resistir sismos severos con posibilidad de daños estructurales importantes, evitando el colapso de la edificación.

Parámetros de sitio: Zonificación: el Perú se encuentra dividido en tres zonas, según se muestra en la figura adjunta al final. Esta división está de acuerdo a la distribución de la sismicidad observada y la atenuación de éstos con la distancia epicentro. A cada zona se le asigna un factor Z según se indica en la tabla1. Este factor es la aceleración máxima del terreno con una probabilidad de 10% de ser excedida en 50 años.

TABLA 1 FACTORES DE ZONA ZONA FACTOR DE ZONA-Z (g) 3 0.4 2 0.3 1 0.15 Será requisito la realización de los estudios de microzonificación (son estudios multidisciplinarios que investigan los fenómenos de sismo y otros fenómenos asociados) en los siguientes casos:  Áreas de expansión de ciudades.  Complejos industriales o similares.  Reconstrucción de áreas urbanas destruidas por sismos y fenómenos asociados. Para los efectos de esa norma, los perfiles de suelo se clasifican tomando en cuenta las propiedades mecánicas del suelo, el espesor del estrato, el periodo fundamental de vibración y la velocidad de propagación de las ondas de corte. Los tipos de perfiles del suelo son cuatro:    

Perfil tipo S1: roca o suelos muy rígidos. Perfil tipo S2: suelos intermedios. Perfil tipo S3: suelos flexibles o con estratos de gran espesor. Perfil tipo S4: condiciones excepcionales.

6


Deberá considerarse el tipo de perfil que mejor describa las condiciones locales, utilizándose los correspondientes valores de Tp, y del factor de amplificación del suelo S, dados en la tabla Nº2.

Tabla Nº2 Tipo

Descripción

Tp(s) S

S1

Roca o suelos muy rígidos

0.4

1.0

S2

Suelos intermedios.

0.6

1.2

S3

Suelos flexibles o con estratos de gran espesor 0.9

1.4

S4

Condiciones excepcionales

*

*

El factor de amplificación sísmica de acuerdo a las características de sitio, se define el factor de amplificación sísmica (C) por la siguiente expresión: C=2.5 [Tp/T] 1.25, C<= 2.5.

Categoría de las edificaciones.Cada estructura es clasificada de acuerdo a las categorías indicadas en la tabla 3 categoría

A Edificaciones Esenciales B Edificaciones Importantes C Edificaciones Comunes D Edificaciones Menores

Tabla 3 Factor Categoría de las edificaciones U Descripción Cuya función no debe interrumpirse después del sismo, 1.5 Como hospitales, centrales de comunicaciones, cuarteles De bomberos y policías, centros educativos (para refugios). Donde se reúnen gran cantidad de personas como teatros, 1.3 Estadios, centros comerciales, museos, bibliotecas. También Se considera almacenes de granos para el abastecimiento. Cuya falla ocasionaría pérdida en cuantía intermedia como 1.0 Viviendas, oficinas, hoteles, restaurantes; cuya falla no acarree Peligros adicionales de incendios, fugas de contaminantes, etc Cuyas pérdidas son de menor cuantía y normalmente la posibi- (*) Lidad de causar víctimas es baja, como cercos de 1.50m de alt. Depósitos temporales, pequeñas viviendas, etc.

7

M E M O R I A D E C ÁL ÁL C U L O ESPECTRO DE SISMO SEGÚN NORMA E-030 Categoria Edificio

C

U

1.0

Zona Sísmica

2

Z

0.30

Tipo de Suelo

S2

Tp (s)

0.60

9.81

S

1.20

Aceleracion de la Grave dad Coeficicente Coeficicente de red.

Acero, Arriostres Excéntricos

R EstructReg(1),Irreg(2)

2.00

R a usar =

4.88

Factor de Escalar (ZUSg/R)

0.72

S a C  2.5 x

T (s)

C

Z UCSg/R

0.00

2.50

1.8111

0.02

2.50

1.8111

0.04

2.50

1.8111

0.06

2.50

1.8111

0.08

2.50

1.8111

0.10

2.50

1.8111

0.12

2.50

1.8111

0.14

2.50

1.8111

0.16

2.50

1.8111

0.18

2.50

1.8111

0.20

2.50

1.8111

0.25

2.50

1.8111

0.30

2.50

1.8111

0.35

2.50

1.8111

0.40

2.50

1.8111

0.45

2.50

1.8111

0.50

2.50

1.8111

0.55

2.50

1.8111

0.60

2.50

1.8111

0.65

2.31

1.6718

0.70

2.14

1.5524

0.75

2.00

1.4489

0.80

1.88

1.3583

0.85

1.76

1.2784

0.90

1.67

1.2074

0.95

1.58

1.1438

1.00

1.50

1.0866

2.00

0.75

0.5433

3.00

0.50

0.3622

4.00

0.38

0.2717

5.00

0.30

0.2173

6.00

0.25

0.1811

7.00

0.21

0.1552

8.00

0.19

0.1358

9.00

0.17

0.1207

10.00

0.15

0.1087

T P T



;

6.50

ZUCS xg R C  2.5

( Aceleración Espectral ) (C  Factor de Amplificación Sísmica)

ESPECTRO DE SISMO NORMA E-030 2006 2.00

1.50

) 2 s /

m ( R / 1.00 g S C U Z =

Sa

a0.50 S

0.00 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.0 0

PERIODO "T" (seg.)

Fig. 05 Espectro de respuesta sísmica.

8


CARGA DE VIENTO

La presión dinámica se ha determinado en base a la velocidad de diseño del viento para nuestra cobertura se ha determinado una velocidad de diseño de 82km/h según el mapa eólico del Perú. Las fuerzas de viento actúan como presiones sobre las superficies verticales a barlovento, como presiones o succiones sobre superficies inclinadas a barlovento (dependiendo de la pendiente) y como co mo sucesiones sobre superficies planas y superficies verticales o inclinadas a sotavento (debido a la creación de presiones negativas o vacías) Durante el paso de un huracán ocurre una fuerte reducción de la presión atmosférica. Esta reducción de la presión no se manifiesta dentro de edificios herméticamente cerrado y las presiones Internas, al ser mayores que la externas, originan fuerzas hacia el exterior sobre los techos y las paredes. Velocidad de Diseño

La velocidad de diseño hasta 10 m de altura será la velocidad máxima adecuada a la zona de ubicación de la edificación pero no menos de 75 km/h. La velocidad de diseño del viento en cada altura de la edificación se obtendrá de la siguiente manera. Vh=V (h/10)*0.22 Dónde: Vh es la velocidad de diseño en la altura h en km/h, V es la velocidad de diseño hasta 10 m de altura en km/h y h es la altura sobre el terreno en metros. Carga exterior de Viento

Se supondrá que la fuerza o presión ejercida por el viento será perpendicular a la superficie. Se calculará de la expresión: Ph= 0.005 C Vh2 Ph: presión o succión (kg/m2) C: factor de forma adimensional Vh: velocidad de diseño a la altura h, en km/h FACTORES DE FORMA CONSTRUCCIÓN Superficies verticales de edificios Anuncios, muros aislados, elementos con una Dimensión corta en el sentido del viento Tanques de agua, chimeneas y otros de sección Circular o elíptica Tanques de agua, chimeneas y otros de sección cuadrada o rectangular Arcos y cubiertas cilíndricas con un ángulo de Inclinación que no exceda los 45º. Superficies inclinadas a 15º o menos

BARLOVENTO +0.8 +1.5

SOTAVENTO -0.6

+0.7 +2.0 +0.8

+0.3 -0.7 Superficies inclinadas entre 15º y 60º +0.7 -0.3 Superficies inclinadas entre 60º y la vertical +0.8 El signo positivo indica presión y el negativo succión

-0.5 -0.6 -0.6 -0.6

Carga Interior de Viento

Para el diseño de los elementos de cierre, incluyendo sus fijaciones y anclajes, que limitan en cualquier dirección el nivel que se analiza, tales como: paneles de vidrio, coberturas, alféizares, y paneles, se adicionará a las cargas exteriores calculadas según la tabla de arriba, las cargas interiores (presiones o succiones) calculadas por los factores de forma para presión interior de la tabla siguiente:

9


Factores de forma para determinar cargas adicionales en elementos de cierre (C) Uniforme en lados A barlovento y sotavento +0.3

ABERTURAS Principales en lado De barlovento +0.8

Principales en lado De sotavento o en los costados -0.6

Fig. 06 Mapa eólico del Perú

10

M E M O R I A D E C ÁL ÁL C U L O Velocidad según mapa eólico del Perú: V = 85 KM / H

a

10 m del suelo (Cuzco)

Vh = 85*(10.5/10)^0.22 = 85.92 km/h Ph = 0.005*(+/-)0.8*85.92^2 = +/- 29.53 kg/m2 Ph = 0.005*(-) 0.5*85.92^2 = - 18.46 kg/m2

Barlovento Sotavento

Fig. 07 Asignación de Carga Viento. 1.1

COMBINACIONES DE CARGA

Se han considerado las cargas de diseño de acuerdo a la zona su orografía, topografía, clima, suelo y el sitio para cargas sísmicas y base a ello se ha calculado todas las cargas que actuaran posiblemente sobre la estructura y sus columnas de soporte además se contempló la carga viva por montaje y las cargas consideradas se detallan a continuación: Combinaciones de la condiciones de carga de acuerdo al código del AISC por el método LRFD:

11


Fig. 05 Diagrama de fuerzas Axiales.

Fig. 06 Diagrama de momentos flectores.

12


Fig. 07 Diagrama de fuerzas cortantes. 1.2

DESPLAZAMIENTOS DESPLAZAMIENT OS PERIODOS DE VIBRACIÓN Y FRECUENCIAS MODALES.

LIMI TES PARA LA DISTORSION DE ENTREPISO ENTREPISO

Material Predominante

(Δi/hi)

Concreto Armado Armado

0.007

Acero

0.010

Albañileria

0.005

Madera

0.010

Muros de Ductilidad Limitada

0.005

Desplazamiento de la edificación

13


Distorsiones y Desplazamientos En la tabla se muestran los resultados de los periodos de vibración y frecuencias, que indicará la importancia de cada modo en su respectiva dirección. Máximo Desplazamiento Relativo de Entrepiso: En la dirección X-X: DIF x 0.75 x R’ / hei ≤ 0.005 En la dirección Y-Y: DIF x 0.75 x R’/ hei ≤ 0.005 Se consideró 0.005 ya que la estructura cuenta con columnas de concreto armado con vigas y muros de albañilería y tijerales de acero en ambas direcciones. En los siguientes cuadros se se muestran los desplazamientos relativos y distorsiones obtenidas en cada nivel.

CONTROL DE LIMITES PARA LA DISTORSION DE ENTREPISO EN LA DIRECCION X-X Factor de Reduccion "R" a usar =

4.88

ENTREPISO

D(ETABS)

Di(cm)

Hi(cm)

1

0.0004

0.040

550.0

Edificacion Irregular Δ

i= =D D i* i*0. 75 75*R

i=Δi+1 - Δi

Ԁ

0.146

0.146

0.75 ai=di/Hi

DERIVA DE ENTREPISO

0.0003

CUMPLE

CONTROL DE LIMITES PARA LA DISTORSION DE ENTREPISO EN LA DIRECCION Y-Y Factor de Reduccion "R" a usar =

4.88

ENTREPISO

D(ETABS)

Di(cm)

Hi(cm)

1

0.0002

0.020

550.0

Edificacion Irregular Δ

i= =D D i* i*0. 75 75*R 0.073

0.75

i=Δi+1 - Δi

ai=di/Hi

DERIVA DE ENTREPISO

0.073

0.0001

CUMPLE

Ԁ

En la dirección del eje X, eje Y. el desplazamiento de entrepiso es menor a 0.005 del centro de masas, el diseño es correcto con respecto a la base de los tijerales. Distorsiones y Desplazamientos de la estructura metálica.

Desplazamiento máximo en la dirección X es de 0.097m Desplazamiento máximo en la dirección Y es de 0.0002m Desplazamiento máximo en la dirección Z es de 0.0074m Elevación frontal de la estructura metálica.

14


Desplazamiento máximo en la dirección X es de 0.1033m Desplazamiento máximo en la dirección Y es de 0.0002m Desplazamiento máximo en la dirección Z es de 0.0084m Elevación lateral de la estructura metálica.

2.

ANALISIS Y DISEÑO DISEÑO ESTRUCTURAL ESTRUCTURAL

2.1

ANALISIS ESTRUCTURAL ESTRUCTURAL Y DISEÑO DISEÑO DE LA ESTRUCTURA ESTRUCTURA METALICA. METALICA.

Se realizo el analisis estructural de la estructura metalica y se determino las secciones optimos para el diseño de los tijerales, columnas de concreto y correas de la estrcutura que sostendran la cobertura liviana o similar. Se evaluo distintas secciones y espesores en una lista en el cual el programa lo itera para obtener una una seccion optima que es capas de resistir fuerzas sismicas sismicas y de gravedad. De las vigas de la parte superior e inferios del tijeral de 0.50m de peralte de los tijerales. T: 40x80x2.5mm

15


La seccion del acero de las diagonales y montantes del tijeral de 0.5m de peralte T: 40x40x2mm

La seccion del acero de las vigas correas del tijeral de 0.5m de peralte T: 40x80x2.5mm

16


DISEÑO DE LA ESTRUCTURA EN 3 DIMENSIONES

17


Elevación frontal de la estructura metálica.

18


Elevación posterior de la estructura metálica.

19


Elevación interior de la estructura metálica.

20


Vista en Planta de la estructura metálica. 2.1.2

DISEÑO DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES

T: 40X80X2.5mm

21


T: 40X40X2.0mm

22


23

M E M O R I A D E C ÁL ÁL C U L O 3.

CONCLUSIONES











El acero de los tijerales es correcto según diseño, los detalles del acero y uniones de acero se observa en los planos de estructuras, con sus respectivos detalles. Las secciones son adecuadas para evitar fallas estructurales por sismo y cagas verticales. Se determino la seccion los elementos de los tijerales de: De las vigas de la parte superior e inferios del tijeral de 0.50m de peralte de los tijerales. T: 40x80x2.5mm La seccion del acero de las diagonales y montantes del tijeral de 0.5m de peralte T: 40x40x2mm La seccion del acero de las vigas correas del tijeral de 0.5m de peralte T: 40x80x2.5mm

La seccion de los acero de los tijerales son adecuados para evitar deflexiones excesivas en los tijerales de 0.5m de peralte. Las derivas de la estructura son menores a 0.005 como indica el reglamento nacional de edificaciones. de la edificacion de albañileria que soporta la estrcutura metalica de forma curva. el control de las deflexiones son adecuadas para la estructura metalica en forma de curva.

24

Memoria Estructura Metalica Cusco

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