ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE CENTROS COMERCIALES PARA LA PARROQUIA AYAPAMBA CANTÓN ATAHUALPA
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MEMORIA DESCRIPTIVA DEL PROYECTO ESTRUCTURAL
FECHA: Abril del 2010 UBICACION: Calle 10 de Agosto y Machala parque central de la parroquia Ayapamba.
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ANALISIS Y DISENO SISMORRESISTENTE DE CENTROS COMERCIALES PARA LA PARROQUIA AYAPAMBA CANTON ATAHUALPA.
CONTENIDOS
Introducción
Antecedentes técnicos
Descripción general de la estructura
Códigos y normas de diseño
Hipótesis de análisis y diseño
Predimensionamiento y cuantificación de cargas
Análisis dinámico (CEC 2002)
Diseño en hormigón armado de los elementos estructurales (ACI-05).
Anexos
ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE CENTROS COMERCIALES PARA LA PARROQUIA AYAPAMBA CANTÓN ATAHUALPA
ANALISIS Y DISENO SISMORRESISTENTE DE CENTROS COMERCIALES PARA LA PARROQUIA AYAPAMBA CANTÓN ATAHUALPA. I.
INTRODUCCION.
El presente proyecto comprende el Cálculo, Análisis y Diseño Estructural Sismoresistente de centros comerciales para la parroquia Ayapamba cantón Atahualpa, mediante la utilización de los criterios establecidos en el Código Ecuatoriano de la Construcción, Building Code Requirements for Structural Concrete ACI 318-2005 para el diseño y mediante el uso los Programas SAP 2000, ETABS y SAFE para el análisis y chequeo estructural.
II.
ANTECEDENTES TÉCNICOS
Como base para el análisis y diseño estructural se tomó en cuenta los requerimientos de los planos arquitectónicos. La capacidad admisible del suelo sugerida por el estudio geotécnico de suelos donde se cimentará la edificación es de 100 KN/m2. (ANEXO 1).
III.
DESCRIPCION GENERAL DE LA ESTRUCTURA
El sitio donde se implantará la obra se encuentra en la calle 10 de Agosto y Machala, Parque central de la Parroquia Ayapamba. La cimentación consiste principalmente de plintos aislados. La estructura está conformada por pórticos de hormigón armado, y losas alivianadas armadas en dos sentidos.
IV.
CÓDIGOS Y NORMAS DE DISEÑO
Para el diseño de los elementos estructurales se observaron las disposiciones contenidas en los siguientes códigos y reglamentos:
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C.E.C2002; CÓDIGO ECUATORIANO DE LA CONSTRUCCIÓN 2002 ACI 318-2005; REQUISITOS DE REGLAMENTO PARA CONCRETO ESTRUCTURAL (ACI 318S-05) Y COMENTARIO (ACI 318SR-05) SAP 2000; STRUCTURAL ANALYSIS PROGRAM COMPUTERS AND STRUCTURES ETABS 8; INTEGRATED BUILDING DESIGN SOFTWARE SAFE; INTEGRATED ANALYSIS AND DESIGN OF SLAB SYSTEMS
V.
HIPOTESIS DE ANALISIS Y DISENO:
Suposición de cálculo:
Las paredes agrietadas no participan en la rigidez lateral (CEC 2002).
La estructura se comportará adecuadamente en el rango inelástico (CEC 2002).
Sistema estructural constituido por columnas y vigas
de hormigón armado
(f’c=21MPa, fy=420 MPa).
El sistema de piso serán losas armadas en dos direcciones, alivianadas y apoyadas sobre vigas.
Modelación del suelo mediante resortes con rigidez equivalente.
Análisis Dinámico: Análisis (nodal) espectral (CEC 2002)
Uso de secciones agrietadas (CEC 2002)
Considerar número de modos necesarios para llegar a completar al menos el 90% de la masa modal acumulada.
Considerar re-localización de masas para representar torsión accidental.
Uso del espectro de respuesta elástico normalizado
Diseño: Estado Límite de Resistencia (ACI 318, 2005)
Resistencia de diseño Resistencia Requerida.
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VI.
PREDIMENSIONAMIENTO Y CUANTIFICACION DE CARGAS
Se definió como punto de partida el sistema estructural idealizado para el cálculo, para lo cual se calculó dimensiones tentativas que contribuyeron a evaluar preliminarmente las diferentes solicitaciones. Las dimensiones escogidas cumplen con los requisitos exigidos de funcionalidad de la estructura, y se calcularon en base al peso propio de la misma, de los elementos no estructurales, el peso de sus ocupantes y efectos del medio. La Estructura ha sido diseñada para que tenga resistencia y rigidez adecuada ante las cargas de diseño, es decir para resistir todas las cargas aplicables tales como: cargas vivas, cargas muertas y efectos sísmicos. El diseño se realizó prestando atención a los efectos de las fuerzas debido al preesfuerzo, vibración, impacto, contracción, expansión del concreto de contracción, fluencia y asentamientos desiguales de los apoyos.
Cargas Muertas. De acción gravitatoria, corresponden al peso de los materiales de construcción empleados en la edificación esto es: estructura, muros y particiones, pisos, cubiertas, cielo raso, acabados y otros elementos arquitectónicos y estructurales.
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Tabla 1.- Densidades de masas mínimas
Tabla 2.- Cargas muertas mínimas de elementos estructurales verticales
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Para efectos de cálculo de cargas muertas, se utilizó las Tablas (4.1-411) del libro Requisitos Esenciales para edificios de concreto reforzado (ACI 318-02)
Cargas vivas Son aquellas cargas producidas por el uso y ocupación de la edificación, las cargas vivas que se utilicen en el diseño de la estructura deben ser las máximas cargas que se espera que ocurran en la edificación debido al uso que esta va a tener; a continuación se muestran algunas cargas recomendadas para utilizarlas como sobrecarga.
Tabla 3.- Cargas Vivas mínimas uniformemente distribuidas (ACI 318-05)
ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE CENTROS COMERCIALES PARA LA PARROQUIA AYAPAMBA CANTÓN ATAHUALPA El presente proyecto se incluye en el grupo M (Comercio), dentro de la subcategoria: Minorista (5.5 KN/m2)
Predimensionamiento de losas La función principal de la losa consiste en transmitir los esfuerzos producidos por las cargas vivas y muertas a los puntos de apoyo en los cuales descansa la losa, estos puntos son vigas y columnas, para la presente edificación. Para el prediseño del peralte de la losa definimos el tablero que servirá para diseñar la losa, considerando las condiciones o solicitaciones más desfavorables para el mismo. Utilizamos la ecuación 1, donde ln es la longitud del claro libre en la dirección libre medida cara a cara de las vigas que soportan la losa, m relación de rigidez a flexión de la sección de una viga y el ancho de la losa igual a 0.2, f y esfuerzo de fluencia del acero de refuerzo y es la relación entre el lado largo y el lado corto de la losa.
ln 0.8
h
36 5
h=0.20 m
f y
14000
m 0.12
1
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Figura 1.- Panel de losa en análisis
Cargas muertas en losas
La carga muerta de losa se calcula para cada metro cuadrado, esta cuantificación contiene el peso de los materiales para construirla. Peso de la losa de compresión: 1.20 KN/m2
Peso de nervios de losa:
1.30 KN/m2
Peso de pisos y acabados:
0.80 KN/m2
Peso de cielo raso + tuberías: 0.20 KN/m2 Carga muerta en losa:
3.50 KN/m 2
Figura 2. Corte de Losa
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Prediseño según las Disposiciones especiales para el diseño Sísmico (ACI 318-2005)
Elementos sujetos a Flexión porcentajes máximos y mínimos (ACI 21.3.2):
√
2 3 4 5 6
Elementos sujetos a Flexión dimensiones máximas y mínimas (ACI 21.3.1):
7
Resistencia Nominal y resistencia última:
() () ()
8 9 10 11
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Elementos sujetos a Flexión y Carga Axial, cuantía máxima y mínima
Elementos sujetos a Flexión y Carga Axial, dimensiones máximas y mínimas (ACI 21.4):
12 13
Resistencia Nominal y resistencia ultima
16
( ) Prediseño de Vigas
Prediseño para la viga más crítica, considerando cargas muertas y vivas. Momento máximo de Prediseño: Mu= 125.66 KN-m Calculo de las cuantías mínimas y máximas permitidas:
14
15
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√
Se asume como cuantía de diseño un valor que puede ser menor o igual que el máximo:
Se calcula el índice de refuerzo para esta cuantía y se obtiene:
De la ecuación de momento último resistente se despeja la sección buscada: Asumimos b=0.3m
) (
Se asume una sección: b=0.3m h=0.4m
Prediseño de Columnas:
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Calculo el área de concreto Ag:
Escojo una sección cuadrada.
Pesos por pisos
Nivel +3.00 m Aplanta: 176.00 m2 Carga muerta + peso propio Peso Paredes por área de panel+ peso losa por área de panel+sobrecargas (pisos, cielo raso)+peso Columnas + peso Vigas. Peso Total: 2736.45 KN Masa total: 278.94 ton
Cargas de Sismo
Son inciertas tanto en magnitud, distribución e inclusive en el momento en que pueden actuar. Por hallarse en la zona sur del país una zona de alto riesgo sísmico también se somete a la estructura a estos esfuerzos. Para el diseño por sismo se utiliza lo establecido en la normativa del CEC 2002 el mismo que indica requisitos mínimos de cálculo y diseño sismorresistente, para el cortante basal de diseño y el cálculo de las fuerzas horizontales, además del control de derivas de piso.
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Zona Sísmica III
Z= 0.3
Importancia Estructuras
I= 1.0
Perfil de Suelo S3
S= 1.5
Respuesta Estructural
R= 10
Coeficiente de configuración en elevación P = 0.9 Coeficiente de configuración en planta
E = 1.0
Ct=0.8, para pórticos espaciales en hormigón armado. C.v=0.105
(()) 17
16 17 18
La Tabla 4 contiene las fuerzas sísmicas en ambos sentidos, las cuales se distribuyen entre los elementos del sistema resistente a cargas laterales en proporción a sus rigideces.
Tabla 4. Determinación de fuerzas horizontales de Sismo
Piso
1
Nivel
Peso Wi
Wi x hi
Fi
hi (m)
(KN)
(KN-m)
(KN)
3.00
2736.45 8209.35
254.00
342
254.00
8209.35
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Factores y Combinación de Cargas
La mayor resistencia requerida U, para un elemento estructural, se obtiene usando los factores y combinaciones de carga presentados más adelante, pero para ello se debe usar los siguientes requisitos:
Se debe estudiar cada estado límite de resistencia, incluyendo los efectos de una o más cargas que no actúan simultáneamente.
En las combinaciones de carga donde se emplea el símbolo en la mayoración de las fuerzas alternantes que actúan en una dirección y posteriormente en la otra, se debe usar el signo que produzca el mayor o menor valor de U
Se debe estudiar los efectos más desfavorables debido a las cargas de sismo.
Cargas muertas y vivas.- La resistencia, U, para resistir las cargas muertas D y vivas L debe ser mayor que: U=1.4D U=1.2D+1.6L
Cargas Sísmicas.- La resistencia requerida U para soportar las cargas sísmicas especificas, E, se debe estudiar usando las siguientes combinaciones. U=1.2D+1.0L 1.0E U=0.9D 1.0E
ANALISIS DINAMICO (CEC 2002) Parámetros para el modelo dinámico.
Propiedades de los materiales Resistencia a la compresión del hormigón, f’c=21 MPa Esfuerzo de Fluencia del acero de refuerzo, f y=420MPa Peso especifico del hormigón armado , =24KN/m3
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Secciones transversales de prediseño.
Columnas exteriores: 0.35mx0.35 m Columnas interiores: 0.25mx0.25 m Vigas en volados: Cartela 0.25mx0.30m 0.30mx0.20m Vigas en interiores: 0.25mx0.30m
Figura 3. Secciones transversales de prediseño
Espectro elástico normalizado acorde a la carga de sismo.
Figura 4. Espectro de respuesta elástico
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Factores que convierten el espectro elástico en espectros inelásticos de diseño
Análisis Modal Espectral (CEC 2002)
El análisis modal espectral es la respuesta dinámica de la estructura obtenida por medio de la superposición de los diferentes modos de vibración, en el cual la respuesta dinámica máxima de cada modo se obtiene utilizando la ordenada de un espectro correspondiente al periodo de vibración del modo. El análisis Dinámico es un procedimiento matemático para resolver las ecuaciones de equilibrio dinámico, y así obtener las deformaciones y esfuerzos de la estructura a ser sometida a una excitación que varía en el tiempo. El Espectro expresa las características de los movimientos sísmicos, es la aceleración horizontal en fracción de la aceleración de la gravedad para un periodo de vibración dado; estos se definen por medio de acelerogramas. Para realizar el análisis modal espectral se debe tomar en cuenta la masa de cada piso y su inercia polar para lo cual realizamos los cálculos de la inercia polar en el CM (centro de masa).
Modelación del Análisis modal espectral.
El análisis modal espectral se lo desarrollo en es software ETABS (Figura 5), con su respectiva verificación en el SAP2000. Para la verificación del diseño de la cimentación se utilizo el software SAFE.
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El proceso de análisis se lo desarrollo acorde a las recomendaciones sugeridas por el CEC2002, para lo cual se considero la mayor cantidad de detalles con el fin de que el modelo represente el comportamiento real de la estructura.
Figura 5. Modelo desarrollado en el software ETABS y SAP2000
Resultados obtenidos de Análisis modal espectral
Derivas Máximas de piso.- El valor máximo de deriva se ha determinado en el centro de masa de cada piso, dichos valores están dentro de los rangos especificados en el CEC2002 (deriva máxima=2%). Análisis de periodos y formas modales.- La combinación de máximos modales empleada, es el método CQC (Wilson et. al. 1981).
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Tabla 5. Participación modal
DISENO EN HORMIGON ARMADO DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES. Para el diseño estructural se utilizo las especificaciones recomendadas en ACI 318-2005, en su totalidad. En la figura 7 se presenta el proceso de diseño recomendado por ACI. Los elementos estructurales fueron diseñados a flexión, corte, torsión, además se chequeo efectos de columna fuerte-viga débil, punzonamiento, entre otros. El resultado del diseño se presenta en el ANEXO DOS (Planos).
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Inicio
Definicion de la Estructura
Definicion de cargas
Losa de entrepiso
Vigas
Columnas
Fuerzas laterales?
NO
si
Muros estructurales
Cimentacion
Calcular secciones y recalcular cargas si
NO
DImensiones bien?
es necesario SI
Planos Estructuales
Figura 7. Procedimiento de diseño
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Anexo 1 Estudio de suelos.
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Anexo 2 Planos.
