propuesta tesis. vulnerabilidad sismica casas elevadas
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Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil
Propuesta de Proyecto de Graduación
Departamento de Estructural
Título:
Diseño y análisis de la subestructura de casas elevadas de interés social,
construidas en zonas de inundación, siguiendo los lineamientos del Código
Sísmico de Costa Rica 2010.
Preparada por: José Pablo Núñez Cordero
Director: Ing. Álvaro Poveda V. M.Sc.
Junio, 2011
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Contenido1. Tema de la Propuesta ........................................................................................................................... 3
2. Justificación .......................................................................................................................................... 3
2.1 El problema específico ................................................................................................................... 3
2.2 Importancia .................................................................................................................................... 3
2.3 Antecedentes teóricos y prácticos del problema ........................................................................... 4
3. Objetivos .............................................................................................................................................. 5
3.1 Objetivo General ............................................................................................................................ 5
3.2 Objetivos Específicos ...................................................................................................................... 5
4. Marco Teórico e hipótesis .................................................................................................................... 6
5. Delimitación del problema ................................................................................................................... 9
5.1 Alcances y Limitaciones ................................................................................................................. 9
6. Descripción de la metodología a usar ............................................................................................... 10
Primera Parte: Fase Teórica ............................................................................................................... 11
Segunda Parte: Fase de Análisis ......................................................................................................... 12
Tercera Parte: Fase de Diseño ............................................................................................................ 13
Cuarta Parte: Conclusiones y recomendaciones ................................................................................ 13
7. Mecanismos posibles para la evaluación del proyecto ...................................................................... 14
8. Fuentes de información preliminar .................................................................................................... 15
9. Contenido preliminar del trabajo ....................................................................................................... 16
10. Cronograma de actividades .............................................................................................................. 17
11. Institución o empresa interesada en el proyecto y posibilidad de ejecución .................................. 18
12. Posible constitución del Consejo Asesor .......................................................................................... 19
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1. Tema de la Propuesta
Diseño y análisis de la subestructura de casas elevadas de interés social, construidas en
zonas de inundación, siguiendo los lineamientos del Código Sísmico de Costa Rica 2010.
2. Justificación
2.1 El problema específico
Esta investigación surge a partir de la percepción de que existe una falta de regulación para
las casas elevadas en zona de inundación; y debido a esta condición, actualmente los
proyectos de este tipo, se enfocan meramente en darle altura a las casas, dejando de lado la
vulnerabilidad sísmica.
El trabajo consiste en la revisión de la vulnerabilidad de los sistemas de casas elevadas con
pilotes, en zonas de inundación, según el borrador del Código Sísmico 2010.
De esta manera los sistemas constructivos se podrían utilizar con más frecuencia, mayor
seguridad, beneficiando a mayor cantidad de personas, tanto por eficiencia como por
economía.
2.2 Importancia
La necesidad de la solución a este problema, surge al investigar los sistemas constructivos
más comunes utilizados para viviendas de interés social. Por lo general se construyen en las
zonas más marginadas y con más pobreza (pendientes pronunciadas, zonas inundables). Los
desarrolladores no están familiarizados con los sistemas elevados, debido a que las
empresas que fabrican casas para interés social, se enfocan en la estructura principal de la
vivienda. Teniendo en algunos casos que improvisar sistemas, que no necesariamente
cumplen con los lineamientos que establecen el Código Sísmico.
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Para mitigar esta problemática descrita, se realizará inicialmente un análisis de las opciones
que ofrece actualmente el mercado costarricense para viviendas de este tipo; a partir de esto
se elaborará un estudio estructural de las distintas soluciones, posteriormente un reporte
con ventajas y desventajas y finalmente hacer las recomendaciones necesarias para cada
sistema, basado en el borrador del código sísmico de Costa Rica 2010.
Se pretende poner este instrumento a disposición de profesionales, empresas y entes del
gobierno, involucrados en las construcciones de viviendas de interés social, para que de esta
manera se vean favorecidas las futuras comunidades en donde se necesiten este tipo de
solución.
2.3 Antecedentes teóricos y prácticos del problema
Existe una publicación con el título “Orientaciones para la construcción de
viviendas levantadas sobre el suelo ” , realizada por el CIVCO (Centro de Investigaciones en
vivienda y construcción), Instituto tecnológico costarricense y MIVAH (Ministerio de vivienda
y asentamientos humanos). Donde de una manera muy concisa explican el tipo de
estructuras que usualmente se usan en sistemas de casas elevadas y los distintos sistemas
constructivos que se utilizan; además de los cuidados que hay que tener para cada uno de
los materiales y su mantenimiento. El documento es una guía de sistemas constructivos pero
sin detallar la parte estructural, ya que en ningún momento se muestran fotografías reales de
los sistemas, planos, especificaciones y en el mismo documento no se hace referencia al
nombre y ubicación de los proyectos realizados bajo esta modalidad.
Con la ayuda de los funcionarios del BANHVI se logró indagar sobre los proyectos más
recientes que se han construido de casas elevadas. Adicionalmente se investigó con las
empresas involucradas y los ingenieros que estuvieron en dichos proyectos y se les consultósobre el sistema empleado. Entre los utilizados, sobresalen cinco distintos sistemas:
Productos de Concreto (Holcim), Plycem, Habicon, Ekstrom y Coopecasa.
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Según lo investigado, en el país no se ha hecho una revisión detallada de la subestructura de
estos sistemas y su vulnerabilidad sísmica. Actualmente se utilizan únicamente los manuales
de diseño provenientes de los mismos fabricantes y distribuidores de estos sistemas.
Este proyecto de graduación, pretende hacer una revisión de las subestructuras realizadas
por los constructores y de esta manera, poder determinar si se están construyendo con la
seguridad requerida o si simplemente responden solamente a prueba de inundaciones,
dejando de cumplir con los requisitos mínimos del código sísmico de Costa Rica.
En los casos que no se cuente con una subestructura adecuada estandarizada, se propondrá
un diseño según convenga para cada sistema constructivo analizado.
3. Objetivos
3.1 Objetivo General
Realizar un análisis y diseño estructural de la subestructura para sistemas de casas elevadas
de interés social para zonas de inundación según el nuevo Código Sísmico de Costa Rica
2010.
3.2 Objetivos Específicos
Investigar las distintas opciones para casas de interés social que existen en elmercado nacional
Modelar en un programa de software estructural, la subestructura de al menos tressistemas constructivos disponibles en el mercado
Hacer una comparación de cantidades de materiales para los distintos sistemas decasas elevadas diseñados
Determinar recomendaciones estructurales para el diseño de la subestructura paraque cumpla con los lineamientos que establece el borrador del Código Sísmico deCosta Rica (CSCR10)
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4. Marco Teórico e hipótesis
Código Sísmico de Costa Rica
Código que establece los requisitos mínimos para el análisis, diseño y construcción sismo-
resistente de edificaciones y obras afines que se construyan en el país. El mismo sintetiza un
conjunto de normas y prácticas de diseño gobernando por desplazamientos y deformaciones
internas, producto de la experiencia de terremotos que han ocurrido en el pasado, para
garantizar que el profesional cuente con una guía, para que en el diseño de las obras civiles
se cumplan requisitos para garantizar la vida de los ocupantes, la integridad estructural,
permitiendo una segura evacuación, aunque sufra daños en su estructura o en algunos de
sus componentes estructurales.
Bono de vivienda
El bono de vivienda es un aporte que el Estado, en forma solidaria, otorga a las familias de
escasos recursos económicos, discapacitados, mujeres jefas de hogar y ciudadanos adultos
mayores (entre otros) para que unido a su capacidad de crédito, solucionen sus problemas
de vivienda. El monto del bono de vivienda es proporcional a los ingresos familiares.
Estructuras y componentes prefabricados en concreto
Por lo general la gran mayoría de viviendas de interés social se construyen con productos
prefabricados. Esto por su facilidad en la construcción y bajo costo a la hora de realizar
proyectos repetitivos. Para efectos de esta investigación se van a definir componentes
prefabricados como: aquellos que son fabricados o construidos en un lugar diferente al que
ocupan finalmente la estructura (CSCR-02).
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Según la práctica constructiva del país, la prefabricación puede ser total o parcial, por lo que
el diseñador tiene la responsabilidad de proveer continuidad entre elementos prefabricados y
las otras partes que componen el sistema estructural. Se debe tomar en cuenta las altas
concentraciones de esfuerzos que ocurre en las uniones de la estructura prefabricada y las
otras partes de la obra que se diseñe, para así tener una redundancia en todo el sistema
estructural.
Sistemas Constructivos a analizar
• Holcim
Plycem Coopecasa
Ekstrom (ver sección de alcance y limitaciones punto ii)
Habicon (ver sección de alcance y limitaciones punto ii)
Método Estático
Este método cuantifica los efectos que tiene un sismo en la edificación mediante un análisis
elástico-lineal del sistema estructural por un conjunto de fuerzas estáticas aplicadas. El valor
de estas fuerzas es el resultado de suponer un primer modo de oscilación proporcional a la
altura y un cortante en la base igual al producto del coeficiente sísmico por el peso total de la
edificación.
Sistema sismo-resistente
Se debe tener un conjunto de marcos, marcos arriostrados, paredes o una combinación de
estos sistemas, dispuestos de manera que brinden la resistencia y rigidez adecuada a la
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estructura en las dos direcciones principales en planta. Los marcos y paredes deben estar
debidamente anclados a las cimentaciones, para así evitar separaciones considerables entre
la estructura y la fundación.
Diafragmas constituidos por elementos prefabricados
Los diafragmas horizontales a base de elementos prefabricados se pueden considerar rígidos
en su diseño, de tal forma que sean capaces de transmitir las fuerzas de inercia inducidas por
sismo al elemento resistente, de acuerdo con las rigideces de sus elementos. Estos
componentes se consideran frágiles y deben ser calculados con cargas sísmicas
incrementadas por el factor de sobre-resistencia, SR.
Cimentación
El sistema de cimentación transmite las cargas derivadas de la estructura principal al suelo.
Las fundaciones se colocan sobre el suelo firme o sobre rellenos con una compactación
mínima del 90% del proctor estándar, para evitar asentamientos diferenciales excesivos para
la estructura. Cuando sea necesario utilizar fundaciones profundas como pilotes armados, se
utiliza una viga de fundación que forme cuadros y que vincule las cabezas de los pilotes. Esta
viga se debe diseñar como un elemento continuo con capacidad para tomar momentos
positivos y negativos.
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5. Delimitación del problema
5.1 Alcances y Limitaciones
i. Se limita el estudio al análisis de los sistemas constructivos: Productos de concreto,Plycem y Coopecasa.
ii. El análisis de los sistemas de Ekstrom y Habicon serán tomados en cuenta solo en
caso de conseguir la información pertinente por parte de las empresas distribuidoras
por eso se tomaran en cuenta como opcionales.
iii. Se tomaran en cuenta para el estudio los sistemas constructivos fabricados en el
inicio de la investigación y anteriormente, esto porque la mayoría de estas son
empresas que dedican muchos de sus recursos a la investigación y desarrollo lo que
puede variar en pequeña o gran medida el sistema constructivo a lo largo de la
investigación.
iv. El análisis y diseño se limitará a la subestructura que le da elevación a la vivienda.
v. El análisis de la estructura de la casa se tomará de los datos suministrados por la
empresa fabricante o distribuidora según el sistema constructivo.
vi. Las viviendas que se tomarán en cuenta para el estudio son las que se encuentran en
zona de inundación.
vii. El número de los sistemas a modelar y diseñar se limitará a tres por el tiempo que se
requiere para que las empresas involucradas suministren los datos adecuados para
realizar el proyecto. Se debe realizar un análisis de todos las fuentes de información
para que con base en el mejor criterio se elijan de entre todos los sistemas los tres
más representativos.
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6. Descripción de la metodología a usar
La metodología a seguir para la elaboración del proyecto se muestra en las siguientes figuras1, 2, 3 y 4.
Figura 1. Metodología
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Primera Parte: Fase Teórica
Se estudiarán los sistemas constructivos más utilizados para casas de interés social en zonas
de inundación. Se solicitaran citas con los profesionales encargados del diseño y/o del
departamento estructural de las empresas: Holcim, Coopecasa, Ekstrom, Plycem y Habicon.
Esto para poder conocer las características estructurales del sistema y posteriormente realizar
su análisis.
De igual manera se harán entrevistas con profesionales de instituciones del gobierno (MIVAH
y BANHVI) para conocer la problemática existente en las zonas y que de esta manera se
señalen los proyectos desarrollados bajo esta modalidad. Se recopilarán planos de proyectos
existentes con viviendas en zona de inundación para el análisis de la subestructura.
Figura 2. Fase Teórica
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Segunda Parte: Fase de Análisis
Una vez finalizado el proceso teórico y con toda la información de los sistemas constructivos
se procede a un análisis para seleccionar los tres sistemas más representativos y continuar
con el estudio de la subestructura que brinda soporte y elevación para cada uno de los
sistemas.
Se realizara un modelo de las subestructuras de cada uno de los sistemas seleccionados, esto
utilizando un software de análisis estructural. Los resultados se analizarán con base en el
CSCR (2010) de esta manera se va conocer las principales deficiencias en el sistema para
posteriormente continuar con la fase de diseño.
Figura 3. Fase de Análisis
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Tercera Parte: Fase de Diseño
Una vez analizadas las subestructuras se realiza un nuevo modelo con una posible nueva
estructuración para iniciar con la fase iterativa de diseño. Se calculan las cargas
permanentes, vivas y de sismo para obtener los valores de carga axial, cortante y momento.
A partir de este resultado se realiza un nuevo análisis tomando en cuenta las fuerzas internas
y los desplazamientos y si estos son muy grandes se plantea otro modelo. Una vez que se
cumpla con lo requerido por el CSCR (2010) se procede con el dimensionamiento y detallado
de la nueva subestructura.
Una vez diseñadas las tres subestructuras se realizara una comparación de cantidades y
materiales de los sistemas constructivos.
Figura 4. Fase de Diseño
Cuarta Parte: Conclusiones y recomendaciones
Con base en el análisis de resultados y los diseños planteados se harán recomendaciones
finales para que el diseño de las nuevas subestructuras cumpla con los requerimientos del
nuevo Código Sísmico de Costa Rica (CSCR10).
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7. Mecanismos posibles para la evaluación del proyecto
El impacto que este proyecto de análisis y diseño puede tener es muy grande, dado que se
está tratando de evaluar distintos sistemas constructivos para las subestructuras de elevación
que actualmente en uso que no están estandarizados, por lo que se quiere saber si cumplen
los requisitos mínimos que dicta el Código Sísmico de Costa Rica (2010).
Se cuenta con el apoyo y opinión de empresas privadas desarrolladoras, entes del gobierno e
ingenieros de las distintas empresas representantes de los sistemas. Es así como bajo estos
mismos parámetros las empresas e instituciones interesadas en el tema servirán como una
guía para una posible evaluación del proyecto.
Las recomendaciones y conclusiones obtenidas podrían guiar de una mejor manera a los
desarrolladores de este tipo de proyectos para darle un respaldo estructural y se tengan
menos improvisaciones a la hora de diseñar la estructura de elevación que se las da a las
viviendas en zona de inundación.
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8. Fuentes de información preliminar
Códigos
Colegio Federado de Ingenieros y de Arquitectos de Costa Rica. (2002). CódigoSísmico de Costa Rica 2002. Tercera Edición.
Borrador del Código Sísmico de Costa Rica 2010
American Concrete Institute, Capítulo de Costa Rica. (2008). Requisitos de
Reglamento para Concreto Estructural (ACI 318S-08) y Comentario. Primera
Edición.
Publicaciones
Fournier, Rolando. Orientaciones para la construcción de viviendas levantadas sobre el suelo. (2005). Centro de Investigaciones en
Vivienda y Construcción.
Trabajos Finales
Fernández, Marcela. (2001). Análisis de miembros estructurales de acero
laminado en frío de acuerdo al método de coeficientes de carga y resistencia
(LRFD). Trabajo Final de Graduación para obtener el grado de Licenciatura.Escuela de Ingeniería Civil. Universidad de Costa Rica.
Jara, Emanuel. (2001). Análisis Comparativo de Sistemas Constructivos
Aplicados a una Vivienda de Interés Social. Trabajo Final de Graduación para
obtener el grado de Licenciatura. Escuela de Ingeniería Civil. Universidad de
Costa Rica.
Orlich, Roberto (2009). Diseño de un sistema de vivienda prefabricado de tipo
modular transportable aplicado a la construcción de viviendas de interés
social. Trabajo Final de Graduación para obtener el grado de Licenciatura.
Escuela de Ingeniería Civil. Universidad de Costa Rica.
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9. Contenido preliminar del trabajo
Capítulo 1: Introducción
1.1. Generalidades
1.2. Objetivos Generales
1.3. Objetivos Específicos
1.4. Antecedentes
1.5. Alcances y Limitaciones
Capítulo 2: Descripción de sistemas constructivos
2.1. Productos de Concreto (Holcim)
2.2. Plycem2.3. Coopecasa
2.4. Ekstrom*
2.5. Habicon*
2.6. Sistemas más representativos
Capítulo 3: Análisis y diseño estructural de los sistemas
3.1. Calculo de cargas permanentes, vivas y de sismo
3.2. Combinaciones según CSCR (2010)
3.3. Modelación en software estructural de las subestructuras seleccionadas
3.4. Dimensionamiento: secciones y fundaciones
Capítulo 4: Comparación de cantidades y materiales de los sistemas constructivos
4.1. Materiales sistema 1
4.2. Materiales sistema 2
4.3. Materiales sistema 3
4.4. Comparación de sistemas
Capítulo 5: Conclusiones y Recomendaciones
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10. Cronograma de actividades
Cuadro 1. Cronograma de actividades
ACTIVIDADES DURACIÓN
Investigación acerca de los distintos sistemas de vivienda de interés socialpara casas elevadas usados en Costa Rica.
Entrevistas con empresas desarrolladoras de proyectos de vivienda de interés social en elpaís.
2 semanas
Entrevistas con empresas productoras y/o distribuidoras de los sistemas constructivos devivienda de interés social para casas elevadas más usados en Costa Rica.
2 semanas
Recopilación de información acerca del diseño estructural basado en planos deproyectos existentes con viviendas construidas en zona de inundación. 3 semanas
Análisis de los sistemas constructivos
Análisis de la información de los sistemas recopilados y escogencia de los tres sistemasmás representativos para el estudio.
1 semana
Modelado en software de análisis estructural de la subestructura de los tres sistemasseleccionados.
2 semanas
Análisis de los resultados del modelo estructural basado en el CSCR (2010) 2 semana
Diseño para mejorar la subestructura de cada uno de los sistemas para queestos cumplan con el CSCR(2010)
Cálculo de cargas permanentes, vivas y de sismo para los tres sistemas constructivos. 1 semana
Determinación del tamaño de las secciones y fundaciones partir de los valores demomento, cortante y fuerza axial.
2 semanas
Detallado y generación de planos con las mejoras para cada sistema 2 semanas
Comparación de cantidades y materiales de los sistemas constructivos
Desglose de materiales utilizados para cada una de las tres subestructuras 1 semana
Creación de tabla comparativa de costos para los materiales de las subestructuras. 1 semanas
Recomendaciones 1 semana
Conclusiones 2 semanas
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11. Institución o empresa interesada en el proyecto y posibilidadde ejecución
BANHVI (Banco Hipotecario de la Vivienda)
Es el ente rector del Sistema Financiero Nacional para la Vivienda (S.F.N.V.). Es un banco de
segundo piso, dedicado exclusivamente al financiamiento de vivienda para los sectores
populares, es decir aquellas familias que por su bajo nivel de ingreso, requieren
necesariamente de un subsidio o apoyo estatal para obtener casa propia.
El proyecto de Ley que crea el BANHVI resume las ideas en torno al trabajo de ordenar la
construcción de viviendas populares en esta frase: “es un esfuerzo de carácter nacional en elque deben participar, coordinadamente, el sector público y el sector privado, sin diferencias o
separaciones de partido, credo o ideas que puedan desviarlo o desalentarlo”.
Los legisladores que aprobaron la Ley 7052 del Sistema Financiero Nacional para al Vivienda -
-que crea el BANHVI-- definieron que la naturaleza de la entidad rectora de este Sistema
fuera financiera, y no la de una entidad autónoma o de un ministerio, pues entre sus
obligaciones está administrar los recursos asignados por la Ley para invertirlos en Bonos de
Vivienda, supervisar la distribución y uso de estos recursos y gestionar mediante productosfinancieros, nuevos recursos que permitan darle sostenibilidad al Sistema.
MIVAH (Ministerio de Vivienda y Asentamientos Humanos)
Es la institución que emite políticas y directrices, en materia de Vivienda y Asentamientos
Humanos, en función de las necesidades y demandas particulares de los distintos estratos
socioeconómicos; con el propósito de facilitar el acceso a asentamientos humanos que
resulten de una planificación integral del territorio, incidiendo, además, en la reducción del
déficit habitacional del país.
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CFIA (Colegio Federado de Ingenieros y Arquitectos)
Es la institución encargada de estimular el progreso de la ingeniería y de la arquitectura,
mediante estrategias de desarrollo integral y actualización profesional; con un sentido de
servicio de calidad a la comunidad, de forma que se contribuya con el desarrollo sostenibledel país. Entre sus fines primordiales también está el asesorar a los Poderes del Estado,
organismos, asociaciones e instituciones públicas y privadas, en materia de la competencia
de los diferentes colegios que integran el Colegio Federado.
12. Posible constitución del Consejo Asesor
Director del proyecto: Ing. Álvaro Poveda
Asesores del proyecto: Ing. Erick MataIng. Roy Acuña
Ing. Diego Hidalgo
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