diseño de edificio alto considerando la construcción por etapas

UNIVERSIDAD NACIONAL DE

SAN AGUSTIN

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

TEMA:

"DISEÑO ESTRUCTURAL DE EDIFICIO

CONSIDERANDO LA CONSTRUCCION POR ETAPAS"

TOMO I – RESUMEN

Tesis Presentada por el Bachiller Ingeniero:

LAZO QUEVEDO, ENRIQUE JOSE

Para optar el Título Profesional de Ingeniero Civil

Director de Tesis: Ing. Fidel D. Copa Pineda

AREQUIPA - PERU

2016

INDICE

RESUMEN ................................................................................................................................ 3

1 PROBLEMÁTICA Y CONTEXTO .................................................................................... 3

2 OBJETIVOS E HIPOTESIS DE LA TESIS ....................................................................... 3

Objetivo General ............................................................................................................. 3

Objetivos Específicos ...................................................................................................... 3

Hipótesis ......................................................................................................................... 4

3 INTRODUCCION ............................................................................................................ 4

3.1 Proyecto a Nivel Arquitectónico ............................................................................. 4

3.2 Ubigeo e interpretación del EMS ........................................................................... 7

4 MARCO TEORICO.......................................................................................................... 9

4.1 Introducción .......................................................................................................... 9

4.2 Concepto de Problema por Altura y Definición de Edificios Altos............................ 9

4.3 Filosofía de Diseño a Cargas Laterales ................................................................. 9

4.4 Consideraciones de Diseño ................................................................................... 9

4.4.1 Por Viento ................................................................................................... 9

4.4.2 Por Sismo.................................................................................................... 9

4.5 Sistema Estructural ............................................................................................. 10

NUCLEO DE APOYO .......................................................................................... 11

VIGA ESTABILIZADORA .................................................................................... 12

5 METODOLOGIA ........................................................................................................... 13

6 ANALISIS DE LOS RESULTADOS ............................................................................... 14

6.1 ANALISIS ESTRUCTURAL POR CARGAS DE GRAVEDAD ............................... 14

6.1.1 CARGA DE SERVICIO .............................................................................. 14

6.2 ANALISIS DE CARGAS LATERALES ................................................................. 18

6.2.1 CARGA DE SISMO ................................................................................... 18

6.3 ANALISIS CONSIDERANDO LA CONSTRUCCION POR ETAPAS ..................... 22

5 APLICACIONES REALIZADAS Y OPORTUNIDADES DE APLICACION ....................... 26

6 CONCLUSIONES ......................................................................................................... 26

7 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................................... 30

RESUMEN

La presente Tesis Universitaria comprende el diseño de un edificio alto (2 sótanos + 23 niveles + 1 Azotea) con irregularidad en planta, y propongo como alternativa de solución un novedoso sistema estructural que comprende 1 Núcleo de Apoyo (Con muros de Corte) y una Viga Estabilizadora en la parte superior de la edificación, apoyándonos en un análisis modal-espectral y uno de construcción por etapas, para luego pasar a la fase de diseño estructural y elaboración de planos y por último concluir con el metrado y presupuesto de las estructuras diseñadas y obtener ratios de acero, concreto y su construcción. 1 PROBLEMÁTICA Y CONTEXTO

La Ciudad de Arequipa desde el año 2006 viene manifestando un Crecimiento Poblacional desordenado y acelerado, que a su vez debido a la construcción de Edificios de poca Altura ha logrado: El congestionamiento en el Centro de la Ciudad, una expansión grotesca en la periferia de la Ciudad y por si fuera poco la depredación intolerable de la Campiña Arequipeña que hasta el momento fuera ícono Ecológico de la Ciudad de Arequipa.

La Ciudad de Arequipa cuenta con más de un millón de habitantes y es por ello que también como parte de su Desarrollo Urbano sea conveniente propiciar la construcción de Edificios Altos que le puedan dar el Carácter poco a poco de Metrópoli que muchas otras ciudades en el mundo poseen con características similares a las de nuestra querida Ciudad Blanca.

El Tema de Tesis se presenta como: Posible solución al Problema de la Depredación de la Campiña Arequipeña y como Proyecto Impulsador del Desarrollo Vertical de la Ciudad a través del propicio de Edificios Sustentables, respetando el espacio horizontal.

2 OBJETIVOS E HIPOTESIS DE LA TESIS

Objetivo General

Diseño de un Edificio Alto con un sistema estructural novedoso considerando en el análisis la Construcción por Etapas.

Objetivos Específicos

Determinar la carga lateral de mayor incidencia en la estructura.

Comparar los resultados a nivel de derivas, desplazamiento de centro de masas y esfuerzos entre un Análisis Sísmico Estático y un Análisis Sísmico Dinámico.

Mostrar las bondades tanto de la super-estructura como de la sub-estructura en la edificación.

Desarrollar un procedimiento de análisis que impulse el diseño de edificios altos.

Mostrar una referencia en cuanto al costo a nivel de estructuras de un edificio alto.

Hipótesis

El uso del sistema estructural especial que combina un núcleo de apoyo con el uso de viga estabilizadora para el diseño de edificios altos es una alternativa económica.

3 INTRODUCCION 3.1 Proyecto a Nivel Arquitectónico

Desde el Punto de Vista arquitectónico el Proyecto de Tesis comprende:

2 Sótanos destinados principalmente a Estacionamientos y Servicios (Depósito, Sub-Estación, Tanque Cisterna, Cuartos de Máquinas y Montantes).

La 1ra. Planta destinada a equipamiento (Restaurante, Mini-market, Lobby y Recepción).

Planta Típica, compuesta por 3 Flats (A, B y C, que le da la peculiaridad de la Forma de una Flor en Planta) por Nivel.

Azotea.

El Proyecto cuenta con una zona de circulación bien definida (parte central) contando con Escaleras de Emergencia y 2 Ascensores en todos los Niveles y con Escaleras Principales para el acceso del 1er. Nivel y las Plantas Típicas. Según la Arquitecta, el proyecto fue concebido debido a la gran demanda de Vivienda por la que atraviesa la Ciudad de Arequipa, destinando 22 Niveles para Viviendas con 1 Nivel de Equipamiento, 1 Azotea y 2 Sótanos para Estacionamientos con lo que albergará una cantidad aproximada de 350 personas.

a) Planta del Sótano 2.

b) Planta del Sótano 1.

c) Planta del Nivel 1.

d) Planta del Nivel 2 al 23.

e) Planta de la Azotea.

Figura 3.1 - Vista en Planta de los Niveles que comprende el proyecto de Tesis a nivel de Arquitectura.

a) Vista en elevación. b) Vista Superior.

c) Vista Superior de Maqueta de Edificio de Tesis. Figura 3.2 - Diferentes vistas del proyecto de Tesis en calidad de Maqueta.

3.2 Ubigeo e interpretación del EMS

3.2.1 Ubicación El terreno llano se encuentra en la Urb. Lambramani, bordeada por la Av. Los Incas a media cuadra del Centro Comercial Parque Lambramani. (Ver Figura 3.3).

Figura 3.3 - Localización de la Edificación

3.2.2 Interpretación del EMS referencial El proyecto cuenta con un Estudio de Mecánica de Suelos (EMS) que presenta las propiedades del suelo que varían de acuerdo a su posición, densidad, estratigrafía y el estado en que se encuentra. Para fines prácticos y de diseño se tomarán los valores del estudio realizado en las proximidades de la zona donde el edificio se ha proyectado (Centro Comercial Parque Lambramani). Se presenta a continuación un Resumen del Estudio de Mecánica de Suelos:

A. PERFIL DEL SUELO: En la auscultación del suelo se han encontrado

lo siguientes Estratos y con ellos inferido los perfiles estratigráficos, los cuales se adjunta en la Figura 3.4. Estrato I: Aluvial. Conformado por arenas gravosas de color gris, de compacidad media a densa, los fragmentos son sub-angulosos y sub-redondeados. Estrato II: Aluvial. Conformado por intercalaciones de arenas limosas amarillentas.

LOCALIZACION DE

EDIFICIO DE TESIS

Lentes de material pomáceo color blanquecino y arenas limosas grisáceas con alto contenido de fragmentos pomáceos, se encuentra debajo del estrato I. Estrato III: Aluvial. Conformado por arenas gravosas y arenas finas y medias, de color gris, de compacidad media a densa, presenta bolonería entre las calicatas, fragmentos son sub-angulosos y sub-redondeados.

B. NIVEL FREATICO: En los sondeos efectuados, hasta la profundidad

de excavación no se ha encontrado.

C. CARACTERISTICAS GEOTECNICAS DE LOS ESTRATOS: Zonificación del Terreno: De las calicatas excavadas se han determinado la presencia ligera o difusa de materiales limosos y pomáceos y no habría observación respecto al tipo de suelo. Características del Material Pomáceo: El material pomáceo es de origen volcánico, su característica principal es su muy bajo peso volumétrico, exceso de poros, y su alta compresibilidad.

D. ANALISIS DE CIMENTACION: Se presenta los valores del Estrato

donde se plantará nuestra Platea de Cimentación (Estrato III)

Profundidad de Desplante (Df): Df= 10.0m (para Estrato III) Capacidad Portante Admisible (σ): σ=7.51 kg/cm2 Angulo de fricción: ØI= 26.9⁰ Densidad Mínima (γ): γI = 1.658 ton/m3

E. EFECTO DE SISMO: El suelo en estudio se ubica en la Zona III (Según el RNE E.030), considerado como de alta sismicidad. Se puede utilizar para el cálculo de la fuerza sísmica horizontal los siguientes valores:

S= 1.2 (Factor de Suelo) Tp= 0.6 seg.

Figura 3.4 - Perfil Estratigráfico.

4 MARCO TEORICO 4.1 Introducción

A la presente tesis se le puede considerar como "Referencia" para la concepción y diseño de los edificios altos, puesto que reúne las condiciones, requisitos y características con las que los edificios altos deben ser dotados; es por ello que se ha querido hacer hincapié sobre este tipo de edificios, ya que hoy en día es un símbolo de modernidad en todo el mundo, y un reto a la ingeniería estructural por la complejidad e importancia que representa desde su concepción y diseño hasta su construcción.

4.2 Concepto de Problema por Altura y Definición de Edificios Altos Si no hubiera cargas laterales como las de viento o sismo, el diseño de cualquier edificio alto, únicamente sería por cargas de gravedad; tal diseño no impondría algún problema si no fuera por la Altura. No hay forma de evitar que las cargas de gravedad resulten de la carga viva y muerta, así que el mínimo material posible para un edificio de cualquier número de pisos no puede ser menor a la requerida solo por cargas de gravedad.

4.3 Filosofía de Diseño a Cargas Laterales Hay 4 factores a considerar en el diseño de edificios altos: resistencia, rigidez, estabilidad y ductilidad. Naturalmente la resistencia adopta un rol dominante en tanto se incrementa la altura, pero frecuentemente la rigidez y la estabilidad toman el control en el diseño.

4.4 Consideraciones de Diseño 4.4.1 Por Viento

En el diseño para viento, una estructura no puede ser considerada independiente de su entorno porque la configuración de los edificios cercanos y el terreno natural tiene una influencia substancial en el diseño de cargas, y por lo tanto influye en la respuesta de la estructura. El flujo del viento es complejo debido a las numerosas situaciones de flujo que surgen de la interacción del viento con la estructura. Sin embargo simplificaciones son hechas para llegar al diseño por efecto de viento, distinguiendo las siguientes características: o Variación de la velocidad del viento con la altura. (perfil de

velocidades) o Turbulencia del viento. o Probabilidad estadística. o Formación de remolinos. o Interacción dinámica de viento-estructura.

4.4.2 Por Sismo Las cargas sísmicas sobre la estructura durante un terremoto, se deben a la inercia interna producida por las aceleraciones del suelo a que está

sometida la masa del sistema. Las cargas reales dependen de los siguientes factores:

o La intensidad y carácter del movimiento del suelo determinado por la

fuente y su transmisión al edificio. o Las propiedades dinámicas del Edificio, como sus formas modales y

periodos de vibración y sus características de amortiguamiento. o La masa del edificio en su conjunto o de sus componentes.

Por conveniencia en nuestro análisis, usaremos el método Espectral para la Edificación.

4.5 Sistema Estructural

La bondad del resultado final del diseño depende en gran medida del acierto que se haya tenido en adoptar un sistema estructural que sea el más adecuado para soportar las acciones a las que va a estar sujeta la estructura. La elección del sistema estructural es parte importante de la concepción estructural, para ello se deberá tomar en cuenta cierto número de consideraciones; por separados, son las siguientes: a) Funciones estructurales específicas resistencia a la compresión,

resistencia a la tensión; para cubrir claros horizontales, verticalmente; en voladizo u horizontal.

b) La forma geométrica u orientación. c) El o los materiales de los elementos. d) La forma y unión de los elementos. e) La forma de apoyo de la estructura. f) Las condiciones específicas de carga. g) Las consideraciones de usos impuestas. h) Las propiedades de los materiales, procesos de producción y la

necesidad de funciones especiales como desarmar o mover. Existen características para calificar los sistemas disponibles que satisfagan una función específica. Los siguientes puntos son algunas de estas características: o Economía. o Necesidades estructurales especiales. o Problemas de diseño. o Problemas de construcción. o Material y limitación de escala. Para la presente tesis se dispuso el uso de un sistema estructural que combine un núcleo de apoyo (principalmente de muros de corte) y una viga estabilizadora, que detallaremos a continuación:

NUCLEO DE APOYO

Este sistema consta de muros de corte que son ubicados en el núcleo de la edificación visto en planta. Los muros de corte son frecuentemente colocados alrededor del elevador y núcleos de servicio, mientras que los marcos rígidos con viga de acople de relativo peralte se encontrará en el perímetro normalmente. (Ver figura 4.1)

Figura 4.1 - Planta Esquemática donde se define el Núcleo Central de la Edificación.

Figura 4.2 - Planta Esquemática donde se usará casi en su totalidad Muros de Corte debido a su Irregularidad y Esbeltez.

ZONA DE

ELEVADORES

ZONA DE

ESCALERAS

Este sistema es uno de los sistemas más populares para resistir cargas laterales de edificios de mediana y gran altura. Este sistema tiene una amplia gama de aplicación y ha sido usado para edificios de baja altura como 10 pisos hasta en edificios de más de 50 pisos; el rango se ha ampliado con el uso de las vigas con ábacos. Otra ventaja que da este sistema es que puede soportar esfuerzos de corte y de momento en las dos direcciones y a la torsión particularmente. La forma del núcleo prácticamente está dada por la forma del elevador o las escaleras y pueden variar tanto en forma como en cantidad.1 VIGA ESTABILIZADORA Esta herramienta que en inglés es denominada “outrigger” es un tipo de cinturón (naturalmente se usa todo un piso o lo que determine el diseñador) para reducir la longitud de esbeltez de edificios altos y super altos, y así controlar los desplazamientos laterales; en nuestro caso se ha usado una viga estabilizadora y no precisamente un cinturón en todo un nivel en la parte superior de la edificación. (Ver figura 4.2)

Figura 4.3 – Vista en Elevación del EJE ‘E’, mostrando la Viga Estabilizadora en el Ultimo nivel.

1 Ver Capítulo 3, pag. 212 de “Reinforced Concrete Design of Tall Buildings”, Bungale S. Taranath, 2009.

COLUMNAS QUE ACTUAN COMO

TENSOR PARA LA VIGA ESTABILIZADORA

VIGA ESTABILIZADORA

MURO DE CORTE

5 METODOLOGIA

Se practicó la siguiente Metodología durante el proceso de Tesis: a) Concepción estructural

También llamado ‘Estructuración’ es la etapa primigenia del Proyecto de Estructuras, donde se le provee al Edificio de un soporte estructural que sea capaz de comportarse y responder de manera óptima ante solicitaciones de cargas verticales como laterales. Se ha tenido en cuenta las siguientes características: Altura. Tamaño Horizontal. Proporción. Simetría. Distribución y Concentración de elementos estructurales. Densidad. Esquinas. Resistencia Perimetral.

b) Determinación de cargas a la estructura. Se ha tomado en cuenta la participación de las Cargas Verticales y de las Cargas Laterales, según Norma E.020 y E.030.

c) Determinación del modelo analítico. Se ha realizado un modelo tridimensional en el programa ETABS, considerando todas las propiedades de los elementos estructurales y las condiciones de apoyo y conexión.

d) Análisis modal por cargas de servicio y cargas laterales. Se consideró necesario este análisis para fines comparativos con el posterior análisis considerando la construcción por etapas y ver las diferencias a nivel de drifts Inelásticos, desplazamientos laterales del centro de masa y esfuerzos (axiales, cortantes y momentos).

e) Análisis considerando la construcción por etapas. Se realizó este análisis con la finalidad de observar las diferencias que hubiera cuando se considera una estructura construida piso a piso con otro idealizado construido de forma súbita.

f) Diseño estructural.

Se realizó el respectivo diseño de los elementos estructurales bajo la Norma E.060.

g) Metrado y presupuesto a nivel de estructuras de la edificación. Al tener consolidado los planos, se realizó el metrado respectivo de los mismos para obtener un presupuesto referencial a nivel de estructuras y ratios de acero y concreto que permitan realizar comparaciones con otras alternativas.

6 ANALISIS DE LOS RESULTADOS

En esta ocasión, dado lo extenso presentaré los análisis de los resultados realizados con Análisis Modal y Construcción por Etapas para los casos de Carga de Servicio y Carga de Sismo a nivel de Drifts Inelásticos y Desplazamientos de Centro de Masa.

6.1 ANALISIS ESTRUCTURAL POR CARGAS DE GRAVEDAD

6.1.1 CARGA DE SERVICIO

Le llamamos carga de servicio a la que aplica el 100% de la Carga Muerta + 25% de la Carga Viva. o DRIFTS Cuadro 6.1– Cuadro de Drifts Elásticos e Inelásticos para las Direcciones X y Y, debido al 100%CM + 25%CV.

NIVEL CARGA DRIFT ELASTICO DRIFT INELASTICO

EN X EN Y EN X EN Y

AZOTEA SERVICIO 0.00010 0.00024 0.00032 0.00082

NIVEL23 SERVICIO 0.00009 0.00022 0.00032 0.00074

NIVEL22 SERVICIO 0.00009 0.00007 0.00030 0.00024

NIVEL21 SERVICIO 0.00008 0.00007 0.00028 0.00022

NIVEL20 SERVICIO 0.00008 0.00006 0.00027 0.00020

NIVEL19 SERVICIO 0.00008 0.00005 0.00025 0.00017

NIVEL18 SERVICIO 0.00007 0.00004 0.00025 0.00015

NIVEL17 SERVICIO 0.00007 0.00004 0.00024 0.00014

NIVEL16 SERVICIO 0.00007 0.00004 0.00023 0.00012

NIVEL15 SERVICIO 0.00007 0.00003 0.00022 0.00011

NIVEL14 SERVICIO 0.00006 0.00003 0.00022 0.00010

NIVEL13 SERVICIO 0.00006 0.00003 0.00021 0.00010

NIVEL12 SERVICIO 0.00006 0.00003 0.00020 0.00010

NIVEL11 SERVICIO 0.00006 0.00003 0.00019 0.00010

NIVEL10 SERVICIO 0.00005 0.00003 0.00018 0.00009

NIVEL9 SERVICIO 0.00005 0.00003 0.00017 0.00010

NIVEL8 SERVICIO 0.00005 0.00003 0.00016 0.00010

NIVEL7 SERVICIO 0.00004 0.00003 0.00015 0.00010

NIVEL6 SERVICIO 0.00004 0.00003 0.00014 0.00011

NIVEL5 SERVICIO 0.00004 0.00003 0.00014 0.00011

NIVEL4 SERVICIO 0.00004 0.00003 0.00012 0.00011

NIVEL3 SERVICIO 0.00003 0.00003 0.00011 0.00010

NIVEL2 SERVICIO 0.00003 0.00002 0.00010 0.00007

NIVEL1 SERVICIO 0.00004 0.00003 0.00012 0.00010

Como se observa en el cuadro 6.4, los valores máximos se encuentran en el Nivel 23.

Figura 6.1 – Gráfico de Drifts Inelásticos en X y Y debido a 100%CM + 25%CV.

0.00000 0.00020 0.00040 0.00060 0.00080 0.00100

NIVEL1

NIVEL2

NIVEL3

NIVEL4

NIVEL5

NIVEL6

NIVEL7

NIVEL8

NIVEL9

NIVEL10

NIVEL11

NIVEL12

NIVEL13

NIVEL14

NIVEL15

NIVEL16

NIVEL17

NIVEL18

NIVEL19

NIVEL20

NIVEL21

NIVEL22

NIVEL23

AZOTEA

DRIFT

NIV

EL D

E P

ISO

DRIFTS INELASTICOS DEBIDO A 100%CM + 25%CV

DRIFT Y

DRIFT X

o DESPLAZAMIENTO LATERAL DEL CENTRO DE MASAS

A continuación presentaremos un cuadro con los valores de desplazamiento del Centro de Masas obtenidos por acción del 100%CM + 25%CV.

Cuadro 6.2 – Cuadro de Desplazamiento Lateral del Centro de Masa, debido a 100%CM + 25%CV.

NIVEL DIAFRAGMA CARGA UX UY

AZOTEA D24 SERVICIO 0.0030 0.0011

NIVEL23 D23 SERVICIO 0.0029 0.0010























Como se podrá observar en el cuadro anterior, los valores máximos hallados se encuentran en el último nivel (Azotea); así también, las unidades en que se manejan esos valores se encuentran en metros (m).

Figura 6.2 – Gráfico de Desplazamientos del Centro de Masas en X y Y debido a 100%CM + 25%CV.

0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030

NIVEL1

NIVEL2

NIVEL3

NIVEL4

NIVEL5

NIVEL6

NIVEL7

NIVEL8

NIVEL9

NIVEL10

NIVEL11

NIVEL12

NIVEL13

NIVEL14

NIVEL15

NIVEL16

NIVEL17

NIVEL18

NIVEL19

NIVEL20

NIVEL21

NIVEL22

NIVEL23

AZOTEA

DESPLAZAMIENTO LATERAL (m)

NIV

EL D

E P

ISO

DESPLAZAMIENTO DEL "CM" DEBIDO A 100%CM + 25%CV (USO)

UY

UX

6.2 ANALISIS DE CARGAS LATERALES 6.2.1 CARGA DE SISMO

La razón principal por la que se realiza un análisis dinámico del tipo modal-espectral, es por “la Irregularidad de la Estructura”, ya que por tal motivo muy probablemente a la hora de analizar la participación de masa en los modos de vibración, esta no reúna la cantidad suficiente para nuestro caso (90%). Podremos corroborarlo más adelante.

o DRIFTS

Cuadro 6.3 – Cuadro de Drifts Elásticos e Inelásticos, debido a la Acción del Espectro (SPECX y SPECY).


EN X EN Y EN X EN Y

AZOTEA ESPECTRO 0.00130 0.00075 0.00440 0.00252

NIVEL23 ESPECTRO 0.00146 0.00129 0.00492 0.00435

NIVEL22 ESPECTRO 0.00156 0.00140 0.00525 0.00471

NIVEL21 ESPECTRO 0.00167 0.00160 0.00564 0.00539

NIVEL20 ESPECTRO 0.00170 0.00172 0.00574 0.00579

NIVEL19 ESPECTRO 0.00169 0.00180 0.00571 0.00607

NIVEL18 ESPECTRO 0.00167 0.00186 0.00565 0.00627

NIVEL17 ESPECTRO 0.00165 0.00191 0.00558 0.00643

NIVEL16 ESPECTRO 0.00163 0.00194 0.00549 0.00655

NIVEL15 ESPECTRO 0.00160 0.00195 0.00541 0.00657

NIVEL14 ESPECTRO 0.00158 0.00196 0.00533 0.00662

NIVEL13 ESPECTRO 0.00155 0.00196 0.00524 0.00663

NIVEL12 ESPECTRO 0.00152 0.00195 0.00513 0.00659

NIVEL11 ESPECTRO 0.00148 0.00193 0.00500 0.00652

NIVEL10 ESPECTRO 0.00144 0.00189 0.00485 0.00639

NIVEL9 ESPECTRO 0.00138 0.00184 0.00466 0.00621

NIVEL8 ESPECTRO 0.00132 0.00177 0.00444 0.00597

NIVEL7 ESPECTRO 0.00124 0.00168 0.00420 0.00567

NIVEL6 ESPECTRO 0.00116 0.00157 0.00392 0.00530

NIVEL5 ESPECTRO 0.00107 0.00143 0.00360 0.00484

NIVEL4 ESPECTRO 0.00095 0.00127 0.00322 0.00427

NIVEL3 ESPECTRO 0.00081 0.00106 0.00274 0.00357

NIVEL2 ESPECTRO 0.00062 0.00082 0.00208 0.00278

NIVEL1 ESPECTRO 0.00043 0.00052 0.00144 0.00176

Como se observa en el cuadro 6.15, los valores máximos por la acción del Sismo Dinámico (Espectro) se encuentra en el Nivel 17.

Figura 6.3 – Gráfico de Drifts Inelásticos en X y Y debido a Carga de Sismo Dinámico (SPECX y SPECY).

0.00000 0.00100 0.00200 0.00300 0.00400 0.00500 0.00600 0.00700

NIVEL1

NIVEL2

NIVEL3

NIVEL4

NIVEL5

NIVEL6

NIVEL7

NIVEL8

NIVEL9

NIVEL10

NIVEL11

NIVEL12

NIVEL13

NIVEL14

NIVEL15

NIVEL16

NIVEL17

NIVEL18

NIVEL19

NIVEL20

NIVEL21

NIVEL22

NIVEL23

AZOTEA

DRIFT (Δ)

NIV

EL D

E P

ISO

DRIFTS INELASTICOS POR ACCION DEL SISMO DINAMICO (ESPECTRO) EN LAS

DIRECCIONES X y Y

ΔY (SPECY)

ΔX (SPECX)


A continuación presentaremos un cuadro con los valores de desplazamiento del Centro de Masas obtenidos por acción del Sismo Dinámico (Espectro).

Cuadro 6.4 – Cuadro de Desplazamiento Lateral del Centro de Masa, debido a la Carga de Sismo Dinámico en las direcciones X y Y.


AZOTEA D24 ESPECTRO 0.0797 0.065

NIVEL23 D23 ESPECTRO 0.076 0.0633
























Figura 6.4 – Gráfico de Desplazamientos del Centro de Masas en X y Y debido a la Carga de Sismo Dinámico (Espectro).

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

NIVEL1

NIVEL2

NIVEL3

NIVEL4

NIVEL5

NIVEL6

NIVEL7

NIVEL8

NIVEL9

NIVEL10

NIVEL11

NIVEL12

NIVEL13

NIVEL14

NIVEL15

NIVEL16

NIVEL17

NIVEL18

NIVEL19

NIVEL20

NIVEL21

NIVEL22

NIVEL23

AZOTEA


NIV

EL D

E P

ISO

DESPLAZAMIENTO LATERAL DEL "CM" POR ACCION DEL ESPECTRO

UY (SPECY)

UX (SPECX)

6.3 ANALISIS CONSIDERANDO LA CONSTRUCCION POR ETAPAS

Este análisis es especial y se realiza porque es parte del objetivo principal de la presente Tesis, para luego hacer la comparación con el Análisis de Cargas de Gravedad, en especial la Carga Sísmica, donde participa el 100% de la Carga Muerta más un 25% de la Carga Viva; esto con el fin de ver las diferencias que hubiera cuando se considera una estructura construida piso a piso con otro idealizado construido repentinamente de una sola vez. o DRIFTS

Cuadro 6.5 – Cuadro de Drifts Elásticos e Inelásticos, debido a 100%CM + 25%CV considerando la Construcción por Etapas (SECUENCIAL CASE).


EN X EN Y EN X EN Y

AZOTEA SERVICIO-SQ 0.00009 0.00005 0.00030 0.00017

NIVEL23 SERVICIO-SQ 0.00009 0.00006 0.00030 0.00019























Figura 6.5 – Gráfico de Drifts Inelásticos en X y Y debido a 100%CM + 25%CV considerando la Construcción por Etapas (SECUENCIAL CASE).

0.00000 0.00005 0.00010 0.00015 0.00020 0.00025 0.00030 0.00035

NIVEL1

NIVEL2

NIVEL3

NIVEL4

NIVEL5

NIVEL6

NIVEL7

NIVEL8

NIVEL9

NIVEL10

NIVEL11

NIVEL12

NIVEL13

NIVEL14

NIVEL15

NIVEL16

NIVEL17

NIVEL18

NIVEL19

NIVEL20

NIVEL21

NIVEL22

NIVEL23

AZOTEA

DRIFT (Δ)

NIV

EL D

E P

ISO

DRIFTS INELASTICOS DEBIDO A 100%CM + 25%CV (SECUENCIAL CASE)

ΔY

ΔX


A continuación presentaremos un cuadro con los valores de desplazamiento del Centro de Masas obtenidos por la participación del 100%CM + 25%CV considerando la construcción por etapas (SECUENCIAL CASE).

Cuadro 6.6 – Cuadro de Desplazamiento Lateral del Centro de Masas, debido a la acción del 100%CM + 25%CV considerando la Construcción por Etapas (SECUENCIAL CASE).


AZOTEA D24 SERVICIO-SQ 0.0003 0.0005

NIVEL23 D23 SERVICIO-SQ 0.0006 0.0006
























Figura 6.6 – Gráfico de Desplazamientos del Centro de Masas en X y Y debido a la Acción del 100%CM + 25%CV considerando la Construcción por Etapas (SECUENCIAL CASE).

0.0000 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010

NIVEL1

NIVEL3

NIVEL5

NIVEL7

NIVEL9

NIVEL11

NIVEL13

NIVEL15

NIVEL17

NIVEL19

NIVEL21

NIVEL23


NIV

EL D

E P

ISO

DESPLAZAMIENTO LATERAL DEL "CENTRO DE MASAS" DEBIDO A LA ACCION DEL

100%CM + 25%CV

UY

UX

7 APLICACIONES REALIZADAS Y OPORTUNIDADES DE APLICACION

El sistema estructural que se ha propuesto, no es muy común en nuestro país y solo se ha visto aplicado a unos cuantos edificios, pero todos de gran altura (mayores a los 100m) en la ciudad de Lima, como por ejemplo: Edificio City Center Quimera (87m) – Sist. Est. con Núcleo de Apoyo. Edificio Citibank (107m) – Sistema Estructural con Núcleo de Apoyo. Edificio Centro Cívico (109m) – Sist. Estructural con Núcleo de Apoyo. Edificio Westin (120m) – Sist. Estructural con Núcleo de Apoyo. Edificio Begonias (122m) –Sist. Estructural con Núcleo de Apoyo. Edificio Interseguro (136m) – Sist. Estructural con Viga Estabilizadora. Edificio Banco de la Nación (140m) – Sist. Est. Con Núcleo de Apoyo. Rascacielo Cuartel San Martín (203m) (en construcción) – Sist.

Estructural con Núcleo de Apoyo y Cinturón Estabilizador.

Esta tesis como se dijo en un principio pretende ser una especie de guía y precedente para el diseño de futuros edificios altos en nuestro país.

8 CONCLUSIONES 1. VALIDACION DE DATOS.

Los datos de cargas de gravedad ingresados al programa ETABS solo difieren en no más del 8% de los obtenidos metrando en forma manual.

2. VALIDACION DE RESULTADOS.

El esfuerzo cortante obtenido de forma manual (Sin programa) alcanza el 97.34% del valor obtenido por el programa ETABS.

3. CONCEPCION ESTRUCTURAL.

El proyecto desde su concepción arquitectónica posee irregularidad en planta, más no en altura. Rigidez, Resistencia y Durabilidad Dada la arquitectura del proyecto se le proporcionó rigidez mediante ‘muros de corte’ con formas de I y C, que poseen un mejor comportamiento ante solicitaciones sísmicas. Se usó concreto de alta resistencia que permite entre muchas cosas, una menor deformación ante esfuerzos axiales, una reducción del peso global pudiendo suponer cierta reducción en la cimentación y un aumento en la vida útil de la estructura. Sistema Estructural y Estabilidad El edificio con un sistema estructural de ‘muros de corte’, se comporta como viga ‘cantilever’ (en voladizo), éste controla el desplazamiento en los niveles inferiores pero dada su esbeltez fue necesario adicionarle una viga estabilizadora en el último nivel que ayudó a reducir el desplazamiento lateral hasta en un 32% en X y 40% en Y.

Centro de Masas y Centro de Rigideces Tal irregularidad se ha controlado proponiendo un sistema estructural de ‘muros de corte’ de forma que la excentricidad entre el Centro de Masas y el Centro de Rigideces en toda la altura del edificio no superan el 12%. Regularidad Horizontal Este parámetro es la relación de la excentricidad entre el Centro de Masas y el Centro de Rigideces con respecto al radio de giro, no superando el 9.5% en ambas direcciones. Densidad de Muros Este parámetro es muy importante dado que tiene una relación directa con los costos del proyecto; el espesor de los muros de corte fue reduciéndose conforme uno va ascendiendo, desde 3.39% a 1.93%.

4. CARGA LATERAL DE INCIDENCIA (Viento vs Sismo). Se aplicaron las cargas según lo estipulado en la norma E.020 del RNE, y se encontró que los valores de esfuerzos (Cortante), desplazamientos de centro de masa y derivas obtenidos por la carga lateral de viento, alcanzan entre el 9% al 11% de los obtenidos por la carga lateral de sismo, concluyendo que la carga de Sismo es la carga lateral que afecta más a la estructura.

5. PERIODO DE LA ESTRUCTURA.

Tanto para el análisis sísmico estático y dinámico, los valores del periodo son menores a los esperados (T=0.1xN, donde N= 24 Niveles), esto nos demuestra que la estructura es rígida y no es para menos ya que el sistema estructural elegido es el de ‘Muros Estructurales’ con una viga estabilizadora en el último nivel.

6. CORTANTE BASAL (Sismo Estático vs Sismo Dinámico). El valor del cortante basal a nivel de terreno, hallado por el método dinámico de combinación espectral es de 87.66% en la dirección X y de 75.02% en la dirección Y del obtenido por el método estático y se escaló estos resultados (excepto desplazamientos) al 90% según el Art. 18d de la Norma E.030 del RNE, para el diseño de los elementos estructurales.

7. DERIVAS (drifts).

Los valores de derivas (drifts) obtenidos por el análisis dinámico son del orden del 81.43% en la dirección X y un 94.29% en la dirección Y con respecto al límite permisible dado por el RNE en su norma E.030 Art. 15.1.

8. ANALISIS DINAMICO MODAL-ESPECTRAL. Tipo de Análisis Se utilizó el análisis del vector Ritz como un tipo de análisis modal ya que proporciona una mejor base que los vectores propios cuando se utiliza para respuesta del espectro que se basa en la superposición modal.

Criterio de Combinación Según lo estipulado en el art. 18.2c de la Norma E.030, del RNE, se requirieron 15 modos para alcanzar una participación de masa del 90% en las 2 direcciones (X, Y). Modos de Vibración La participación de la masa en cada dirección no alcanza una mayoría contundente dentro de los 3 primeros modos de vibración, esto se debe a la Irregularidad en planta que posee la estructura desde su concepción; sin embargo no puedo dejar de señalar que según el primer modo de vibración la estructura tiene como débil al eje Y .

9. ANALISIS NO LINEAL DE CONSTRUCCION POR ETAPAS vs ANALISIS

LINEAL DE CONSTRUCCION SUBITA Se realiza un análisis de construcción por etapas (Secuencial Case) por ser este el que represente mejor el comportamiento de la estructura considerando la construcción de la misma (nivel a nivel). Este análisis comparado con el de construcción súbita se realiza a nivel de la participación de las cargas de servicio (100%CM + 25%CV), dado que no tiene caso usar sismo mientras no se haya concluido todo el edificio ya que no estaría en toda su capacidad, así que se tiene:

A nivel de ‘Desplazamiento del Centro de Masa’:

Para el modelo de construcción súbita se tiene, que conforme se va ascendiendo nivel a nivel, el desplazamiento de Centro Masas va en aumento logrando el máximo en el nivel de Azotea con UXmax.= 0.0030m y UYmax.=0.0010m.

En el caso del modelo de construcción por etapas, conforme se va ascendiendo, el desplazamiento del Centro de Masas de cada nivel va en aumento para lograr su máximo en el Nivel 16 con UXmax.=0.0006m (20.00%) y UYmax.=0.0008m (80.00%).

A nivel de ‘Derivas’:

Para el modelo de construcción súbita da valores mayores al modelo de construcción por etapas, en un 6.67% en la dirección X y 431.57% en la dirección Y.

Se infiere que los resultados a obtener de un análisis de construcción por etapas usando una carga lateral sísmica serían menores a los resultados obtenidos por el análisis de construcción súbita.

A nivel de ‘Esfuerzos’:

Tanto en las Placas, Columnas y Vigas, los valores obtenidos por un análisis de construcción por etapas son menores a los obtenidos por construcción súbita, ambos valores no tienen un coeficiente de relación patrón, por lo que no es descabellado tomar los valores de construcción súbita para el ‘diseño’ si no se pretende ser exquisito al momento del diseño.

Visto lo anterior se concluye que un análisis de construcción por etapas al ser más realista, efectivo y necesario, debería usarse para el caso de edificios altos y con irregularidades en planta.

10. LA CIMENTACION.

La cimentación se modeló, analizó y diseñó con ayuda del programa ‘SAFE’, tanto para un A. Estático (100%CM+100%CV) y un A. Dinámico (CM+CV+CS), de allí se tiene:

Análisis Estático

Una presión de suelo de 43.45 Ton/m2 que implica un 55.42% con respecto a la capacidad del suelo a un Nivel de H= - 9.50m con respecto a nivel del terreno.

Se encontró un asentamiento máximo diferencial de 0.006313m, valor menor al recomendado (2”).

Análisis Dinámico

Una presión de suelo de 38.58 Ton/m2 que implica un 49.21% con respecto a la capacidad del suelo a un Nivel de H= - 9.50m con respecto a nivel del terreno.

Se encontró un asentamiento máximo diferencial de 0.006198m, valor menor al recomendado (2”).

11. DISEÑO ESTRUCTURAL.

A nivel de Sub-Estructura:

Se planteó una Cimentación Rígida a base de una Platea de Cimentación acompañado de enormes Vigas de Cimentación por los siguientes motivos: Superposición de zapatas. Para mantener un desplazamiento vertical similar en toda el

área donde se apoya la estructura desde el sótano hasta la Azotea.

Ventaja al momento de diseño de cimentaciones por el valor de capacidad portante que se considera.

Grandes Momentos de Volteo producidos en la base de los Muros Estructurales.

A nivel de Super-Estructura:

Se planteó una viga estabilizadora en forma de ‘T’ a nivel de Azotea en la dirección Y, y Vigas Diafragma también a nivel de Azotea, tanto en la dirección X y Y, con la finalidad de: Unir cada ala o lado con el núcleo. Formar mega-marcos que ayuden a resistir la torsión. Reducir el desplazamiento lateral.

Se planteó la reducción de inercias por Bloques conforme requiera el diseño para los elementos estructurales con excepción de las columnas para que estas pudieran tener un papel preponderante en los últimos niveles evitando un mayor desplazamiento lateral; algunas de estas columnas actuarán como tensores para la viga estabilizadora.

A su vez se planteó una reducción de resistencias por Bloques conforme se iba ascendiendo, de acuerdo a lo que requiriera el diseño de cada elemento en particular.

12. METRADOS y PRESUPUESTO DE LA ESTRUCTURA

Ratios de Acero y Concreto. En nuestro proyecto tenemos la mayor densidad de acero en las Columnas y Vigas. El ratio de acero del edificio es 55.80 Kg/m2, y del Concreto 0.58 m3/m2 de área techada. Los ratios se encuentran en un rango aceptable, con la salvedad de la ‘irregularidad en planta’ del edificio.

Costo de la Estructura. El costo directo hallado por M2 de área techada es $ 219.69, que en mi opinión es un costo aceptable teniendo en cuenta todo lo considerado en la Concepción Estructural.

9 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. “Reglamento Nacional de Edificaciones”, Edición actualizada-Marzo del

2012. 2. AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS (ASCE), “Minimun Design

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Sismorresistente de Edificios: Técnicas y Convencionales y Avanzadas”, Editorial Reverte S.A., 2000.

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7. COPA PINEDA, FIDEL D., “Análisis y Diseño en Concreto Armado de Edificio Los Pinos”, Tesis de titulación de Pre-Grado UNSA, Arequipa-1989.

8. CORTEZ BENITEZ, JOSE A. y Dr. ARTURO TENA COLUNGA, “Evaluación de la Condición de Diafragma Rígido o Flexible para el empleo del Método Simplificado en Estructuras de Mampostería”, Universidad Autónoma Metropolitana, Diapositivas.

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10. ENRIQUE BAZAN y ROBERTO MELI, “Diseño Sísmico de Edificios”, Editorial LIMUSA S.A., 2002.

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diseño de edificio alto considerando la construcción por etapas

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