facultad de ciencias matemÁticas y fÍsicas...
TRANSCRIPT
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
METODOLOGÍA DE CONSTRUCCIÓN PARA LA INSTALACIÓN DE
AISLADORES SÍSMICOS EN UN EDIFICIO DE 12 PISOS.
AUTOR:
DEYVIS JOAN SÁNCHEZ AVILÉS
TUTOR: ING. MÓNICA MITE LEÓN, M.Sc
GUAYAQUIL, FEBRERO, 2018
II
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
TRABAJO DE TITULACIÓN
PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL
GENERALES DE INGENIERIA
TEMA:
METODOLOGÍA DE CONSTRUCCIÓN PARA LA INSTALACIÓN DE
AISLADORES SÍSMICOS EN UN EDIFICIO DE 12 PISOS.
AUTOR
DEYVIS JOAN SÁNCHEZ AVILÉS
TUTOR
ING. MÓNICA MITE LEÓN, M.Sc
2018
GUAYAQUIL - ECUADOR
II
DEDICATORIA
A Dios por darme las fuerzas, salud y las ganas de luchar día a día para cumplir mis metas.
A mis padres Gladys Avilés y Enrique Sánchez por todo el apoyo que me han brindado para poder cumplir con este objetivo, ya que tenerlos a mi lado siempre ha sido un factor importante en mi vida.
Siempre estaré agradecido con todas las personas que influyeron en esta etapa de mi vida, las que me apoyaron, las que me aconsejaron y siempre estuvieron conmigo en todo momento.
Deyvis Joan Sánchez Avilés
III
AGRADECIMIENTO
A mis padres por su sacrificio y dedicación de guiarme y enseñarme lo bueno y malo de la vida día a día para cumplir con las metas, gracias al apoyo incondicional de ellos he logrado estar donde estoy ahora.
A mis hermanos que más que nada son mis amigos, por su apoyo incondicional durante todo el transcurso de la carrera.
A mis amigos por el apoyo y confianza que siempre tuvieron en mí.
A los profesores que me formaron, me enseñaron y me inculcaron el amor por esta carrera, sin duda unas de las mejores elecciones en mi vida hoy en día es haber estudiado Ingeniería Civil.
A mis compañeros de trabajo, por la paciencia y dedicación que me han brindado en asuntos laborales y académicos, a mi jefe que influyo mucho en la culminación de mi carrera siempre aconsejándome y enseñándome que el título es un requisito a cumplir para la vida profesional, pero el verdadero profesional es el que tiene actitud e inteligencia emocional.
Deyvis Joan Sánchez Avilés
IV
DECLARACION EXPRESA
Art. XI.- del Reglamento Interno de Graduación de la Facultad de Ciencias
Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil.
La responsabilidad de los hechos, ideas y doctrinas expuestas en este trabajo de
Titulación corresponden exclusivamente al autor, y al Patrimonio Intelectual de la
Universidad de Guayaquil.
_____________________________
DEYVIS JOAN SÁNCHEZ AVILÉS
CI: 092839859-3
V
TRIBUNAL DE GRADUACÓN
Ing. Eduardo Santos Baquerizo, M.Sc Ing. Marcelo Meléndez Manzano, M.Sc.
DECANO TUTOR REVISOR
VOCAL
ÍNDICE GENERAL
CAPITULO I
1.1 Antecedentes. ......................................................................................................... 1
1.2 Objetivos. ................................................................................................................ 4
1.3 Planteamiento del Problema ................................................................................... 5
1.4 Delimitación del Objeto de Investigación ................................................................. 6
1.4.1 Delimitación Espacial .............................................................................................. 6
1.5 Justificación del Tema ............................................................................................ 6
CAPITULO II
MARCO TEORICO
2.1 Suelos y cimentaciones. ......................................................................................... 8
2.1.1 Estudio geotécnico .................................................................................................. 8
2.1.1.1 Actividades llevadas a cabo para reconocer el terreno ..................................... 9
2.1.1.2 Conclusiones y resultados del estudio geotécnico .......................................... 10
2.1.2 Asentamientos de obra e inicial del terreno ........................................................... 11
2.1.3 Técnicas de reconocimiento en un estudio de suelos. .......................................... 12
2.2 Criterios técnicos para el estudio de suelo. ........................................................... 13
2.2.1 Tipos de perfiles de suelos para el diseño sísmico ............................................... 14
2.2.2 Factores de sitio Fa, Fd y Fs ................................................................................. 15
2.3 Cimentaciones. ..................................................................................................... 17
2.3.1 Elementos de una cimentación. ............................................................................ 17
2.3.2 Tipos de cimentación. ........................................................................................... 17
2.3.2.1 Cimentación en pozo ............................................................................................ 17
2.3.2.2 Cimentaciones profundas ..................................................................................... 18
2.3.2.3 Cimentaciones superficiales ................................................................................. 22
2.3.2.3.1 Ejecución. ....................................................................................................... 22
2.4 Muros y pantallas .................................................................................................. 24
2.4.1 Pantallas ............................................................................................................... 24
2.4.2. Muros de contención. ............................................................................................ 25
2.4.2.1 Condiciones de los muros. .............................................................................. 25
2.4.2.2 Clasificación de los muros. ............................................................................. 25
2.4.2.2.1 Muros por gravedad. ................................................................................... 25
2.4.2.2.2 Muros soportados ....................................................................................... 26
2.4.2.2.3 Muros a flexión. ........................................................................................... 26
2.5 Anclajes ................................................................................................................ 27
2.6 Introducción a los aisladores sísmicos .................................................................. 28
2.6.1 Desarrollo de las estructuras con aislamiento. ...................................................... 29
2.6.2 Formulación fundamental de las estructuras con aislamiento de base. ................. 31
2.6.3 Ventajas de las estructuras con aislamiento de base. ........................................... 32
2.7 Aisladores elastoméricos con núcleo de plomo ..................................................... 33
2.7.1 Descripción de aislador elastómericos .................................................................. 33
CAPITULO III
MARCO METODOLOGICO
3.1. Muestra ................................................................................................................. 35
3.2. Métodos ................................................................................................................ 35
3.2.1 Lógico-Deductivo .................................................................................................. 35
3.3. Técnicas ............................................................................................................... 35
3.3.1 Investigación de campo ....................................................................................... 36
3.3.2 Investigación tecnológica ...................................................................................... 36
3.4 Materiales ............................................................................................................. 36
3.5 Recursos. ............................................................................................................. 37
CAPITULO IV
DESARROLLO DEL PROYECTO
4.1 Estudio e informe geotécnicos de exploración (perforaciones).............................. 38
4.2 Estudio e informe geotécnico de capacidad portante. ........................................... 40
4.3 Otras exploraciones geotécnicas .......................................................................... 43
4.4 Diseño de la cimentación ...................................................................................... 44
4.4.1 Distribución de los pilotes. .................................................................................... 44
4.4.2 Diseño de pilotes .................................................................................................. 46
4.5. Diseño de muro de sótano .................................................................................... 48
4.5.1 Descripción estructural del muro de sótano .......................................................... 48
4.5.2 Análisis estructural del muro de sótano ................................................................. 49
4.5.2.1 Método Empuje Activo de Coulomb ...................................................................... 49
4.5.3 Diseño estructural del muro de sótano .................................................................. 51
4.6 Descripción del proyecto. ...................................................................................... 52
4.7 Cargas Consideradas. .......................................................................................... 55
4.7.1 Cargas Muertas: ................................................................................................... 55
4.7.2 Cargas Vivas o de Uso: ........................................................................................ 55
4.7.3 Cargas Sísmicas: .................................................................................................. 55
4.8 Combinación de Cargas. ....................................................................................... 57
4.9 Análisis Estructural. .............................................................................................. 58
4.10 Diseño del Sistema de Aislación. .......................................................................... 63
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones ........................................................................................................ 67
5.2 Recomendaciones. ............................................................................................... 68
BIBLIOGRAFIA
ANEXOS
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Ubicación del edificio SKY BUILDING ........................................................................... 6
Figura 2. Grietas producidas en fachadas de edificios por asientos diferenciales ................ 12
Figura 3. Tipos de pozo de cimentación ...................................................................................... 18
Figura 4. Recalque de cimentación con micropilotes ................................................................. 21
Figura 5. Pilotes. .............................................................................................................................. 21
Figura 6. Cimentación superficial. ................................................................................................. 23
Figura 7. Cajones de encofrado para zapatas ........................................................................... 23
Figura 8. Pantalla de pilotes ........................................................................................................... 24
Figura 9. Muro de gravedad .......................................................................................................... 27
Figura 10. Muro en ménsula con contrafuerte............................................................................. 27
Figura 11. Anclaje ............................................................................................................................ 28
Figura 12. Aislador de lámina de Neopreno. .............................................................................. 29
Figura 13. Mecanismo resistente a cargas verticales de un aislador. .................................... 30
Figura 14. Esquema mecanismo de operación de sistemas activos. ..................................... 33
Figura 15. Implantación de perforación sobre terreno del proyecto. ...................................... 38
Figura 16. Perfil estratigráfico A-A. .............................................................................................. 39
Figura 17. Perfil estratigráfico B-B. .............................................................................................. 39
Figura 18. Ubicación de perforaciones adicionales en el terreno del proyecto. .................. 44
Figura 19. Planta general de cimentación. ................................................................................ 45
Figura 20. Planta general de cimentación entre ejes A - I. ..................................................... 45
Figura 21. Planta general de cimentación entre ejes I - I. ....................................................... 46
Figura 22. Figura 12. Secciones Transversales del Pilotes. ................................................... 47
Figura 23. Curva de capacidad de pilote de 40*40. ................................................................. 48
Figura 24. Secciones Transversales del Muro de Sótano. ..................................................... 49
Figura 25. Empuje Activo de Coulomb. ...................................................................................... 50
Figura 26. Implantación en planta. ............................................................................................... 52
Figura 27. Elevación. ..................................................................................................................... 53
Figura 28. Tipo de losas ............................................................................................................... 53
Figura 29. Ubicación de aisladores ............................................................................................. 54
Figura 30. Aislador de caucho con núcleo de plomo ............................................................... 54
Figura 31. Espectro Elástico ........................................................................................................ 56
Figura 32. Espectro de Respuesta Elástico, Ciudad de Guayaquil, Suelo tipo E. .............. 57
Figura 33. Vista en Planta del modelo estructural en Etabs. .................................................. 58
Figura 34. Vista en Elevación del modelo estructural en Etabs. ............................................ 59
Figura 35. Datos de entrada del programa Etabs para Espectro de Respuesta. ................ 60
Figura 36. Asignación de cargas sísmicas del programa SAP2000. ..................................... 60
Figura 37. Definición de elementos tipo “link” para modelo de aisladores de base. ........... 61
Figura 38. Características del Aislador Tipo A. ......................................................................... 62
Figura 39. Características del Aislador Tipo B. ......................................................................... 62
Figura 40. Características del Aislador Tipo C.......................................................................... 63
Figura 41. Espectro Elástico NEC-11 para 5% y 17.5% de amortiguación .......................... 64
Figura 42. Eregistros tiempo-historia para 17.5% de amortiguación ..................................... 65
Figura 43. Registros tiempo-historia para 17.5% de amortiguación ...................................... 65
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Tipos de construcciones según CTE............................................................................ 11
Tabla 2. Tipos de terrenos según CTE. ...................................................................................... 11
Tabla 3. Clasificación de los perfiles de suelo ............................................................................ 15
Tabla 4. Factores de sitio Fa .......................................................................................................... 16
Tabla 5. Factores de sitio Fd ......................................................................................................... 16
Tabla 6. Factores del comportamiento inelástico del subsuelo Fs .......................................... 17
Tabla 7. Valores de gastos en el proyecto ................................................................................... 37
Tabla 8. Tabla de Capacidad de pilotes hincados de 50cm de lado ...................................... 41
Tabla 9. Tabla de Capacidad de pilotes hincados de 40cm de lado ...................................... 41
Tabla 10. Cargas Gravitacionales aplicadas al modelo estructural. ....................................... 59
Tabla 11. Desplazamientos Máximos de los aisladores y del edificio. ................................... 66
RESUMEN
“METODOLOGÍA DE CONSTRUCCIÓN PARA LA INSTALACIÓN DE
AISLADORES SÍSMICOS, EN UN EDIFICIO DE 12 NIVELES.”
Ecuador se encuentra ubicado en una zona sísmicamente activa como es el cinturón
de fuego del Pacífico lo que ocasiona una intensa actividad sísmica en el país. Estos
movimientos telúricos son inevitables e impredecibles, el país no se encuentra
preparado para este tipo de eventos como ocurrió el pasado 16 de abril donde se
evidenció un número significativo de pérdidas humanas y la destrucción de
infraestructuras civiles, razón por la cual se deben tomar medidas para la aplicación
de normas y procesos constructivos, aquí la importancia de los aisladores sísmicos
y su incidencia dentro de la construcción en edificios para preservar vidas humanas
y evitar daños en la infraestructura de las construcciones.
Se realizará el análisis y el proceso de instalación de los aisladores sísmicos,
tomando en consideración los estudios de suelos donde se implantara el proyecto,
análisis de los modelos matemáticos efectuados para un edificio de 12 niveles,
análisis del diseño estructural para verificar el tipo de aislador a implementar, tipo de
cimentación y proceso para la instalación de los amortiguadores en las columnas
principales de la estructura y a su vez la implementación de los deslizadores sísmicos
al contorno de la estructura por medio de un muro perimetral que permitirá el
movimiento de estructura de hormigón armado en caso de un sismo.
1
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes.
Los terremotos representan uno de los mayores inconvenientes para las
estructuras que todo profesional debe considerar, tanto en el diseño como en su
construcción. Su respuesta dinámica, así como los daños que puedan presentar los
elementos estructurales y no estructurales, dependen no solo de las características
de la acción sísmica, sino también del comportamiento de todo el sistema estructural
de la edificación.
Con cada terremoto que ocurre en el planeta se demuestra una y otra vez, que
mientras los diseños arquitectónicos y estructurales sean más complejos, alejados de
diseños simples, armoniosos y simétricos (como son los diseños de la naturaleza),
mayor será el efecto que un sismo tenga en la edificación.
Una de las razones de la sismicidad en el Ecuador es la convergencia de la placa
de Nazca con la placa Sudamericana. Produciéndose el fenómeno de la subducción
de la primera placa bajo la segunda placa provoca eventos sísmicos de diferentes
magnitudes, además de los sismos superficiales relacionados con la deformación de
la placa tectónica andina, por tal razón el Ecuador se encuentra en un riesgo sísmico
constante. (Roberto Aguiar, 2014)
Los terremotos o sismos son movimientos telúricos producidos por la formación de
fallas o reactivación de alguna preexistente. Pueden producirse en cualquier lugar de
la corteza terrestre, pero se concentran principalmente en los límites de las placas
tectónicas. En los últimos años, el mundo ha sido impactado por terremotos que han
dejado miles de muertos, millones de damnificados y graves daños materiales.
2
Nuestro país pertenece a la región denominada Cinturón de Fuego del Pacifico,
compartida por casi todas las costas continentales e insulares bañadas por el Océano
Pacifico, y donde se libera el 85% de la energía sísmica que libera el planeta en forma
de terremotos, principalmente. El nivel de sismicidad en el Ecuador es relativamente
alto, los sismos con magnitud mayor a 5,0 son frecuentes y muchos de ellos ocurren
en las placas superficiales causando a menudo daños en las estructuras.
El terremoto sucedido el 16 de abril del 2016 fue un movimiento sísmico ocurrido
a las 18:58, con epicentro entre las parroquias Pedernales y Cojimíes del cantón
Pedernales con una magnitud de 7,8 en la escala de Richter, ocasionando graves
daños en las edificaciones.
En Guayaquil, 243 edificios y viviendas resultaron afectados con daños parciales
luego del terremoto de magnitud de 7.8 en la escala de Richter, que se registró el
sábado 16 de abril en la costa ecuatoriana. Según La Corporación para la Seguridad
Ciudadana de Guayaquil (CSCG) emitió un informe de Evaluación de Daños y Análisis
de Necesidades (EDAN). Las inspecciones técnicas fueron realizadas por siete
equipos de evaluadores estructurales conformados por personal de la Municipalidad
de Guayaquil. Durante el transcurso de la semana de haber ocurrido el terremoto,
fueron acordonados varios inmuebles con el objetivo de que estos, no fueran a causar
algún accidente. Uno de ellos fue el edificio del antiguo cine Orión, debido a que la
estructura se vio afectada por el sismo. Según el informe de la CSCG, un total de 20
viviendas resultaron destruidas a causa del movimiento telúrico. También, el reporte
señaló que dos pasos a desnivel resultaron afectados por el movimiento telúrico.
3
Actualmente se están utilizando con mayor frecuencia los sistemas de aislamiento
sísmico, con la finalidad de reducir el daño sísmico en las edificaciones, este tipo de
sistema está basado en separar la estructura de los movimientos del suelo, mediante
la introducción de elementos flexibles entre la estructura y la cimentación, logrando
que el sistema estructural tenga menor rigidez, y, por ende, que el tiempo de
durabilidad de la estructura aumente.
Es por esto, que las estructuras que cuentan con este tipo de aislamiento tienen
un mejor comportamiento ante cualquier evento sísmico a diferencia de las
estructuras que no cuentan con este tipo de sistemas. El objetivo principal de la
aislación sísmica es de mantener la respuesta dentro de los límites de seguridad y
servicio, para salvaguardas vidas humanas.
4
1.2 OBJETIVOS.
1.2.1 OBJETIVO GENERAL
Determinar el método de construcción para la instalación de aisladores sísmicos en
un edificio de 12 pisos, para mejorar el desempeño estructural del mismo.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
• Describir los diferentes tipos de sistemas empleados en la protección sísmica
de edificaciones.
• Analizar los efectos y comportamiento de la edificación con aislador sísmico
LASTO LRB, mediante modelación dinámica aplicando software
computacional ETABS.
• Determinar costo de construcción e instalación de apoyos elastómericos con
núcleo de plomo (LASTO LRB), y deslizadores sísmicos (RESTON
SPHERICAL).
5
1.3 Planteamiento del Problema
De acuerdo a los registros de eventos sísmicos se puede indicar que la costa
ecuatoriana es la de mayor peligrosidad sísmica, seguida por la Sierra y finalmente el
Oriente. Por lo tanto, desde el punto de vista sísmico no es lo mismo realizar un diseño
estructural en la costa, donde un evento sísmico puede causar daños
extremadamente peligrosos en las edificaciones que en alguna ciudad del Oriente que
tienen una menor amenaza sísmica.
Según la NEC-15, la ciudad de Guayaquil se encuentra en una zona sísmica V,
teniendo como factor de zona Z un valor de 0,40, caracterizándolo con un alto peligro
sísmico.
En la actualidad, la técnica de aislamiento sísmico es ampliamente usada a nivel
mundial, este sistema de aislamiento sísmico se lo ubica en la cimentación de la
estructura. Debido a su flexibilidad y capacidad de absorción de energía, el sistema
de aislamiento parcialmente absorbe la energía sísmica de entrada antes que esta
energía sea transmitida a la estructura. El efecto es una reducción de la demanda de
la disipación de energía en el sistema estructural, mejorando su desempeño. Una
atención importante ha recibido el desarrollo de estos sistemas, especialmente en la
mejora de la respuesta sísmica y las acciones de viento en los edificios.
Un movimiento sísmico es inevitable e impredecible, el país aún no se encuentra
preparado para este tipo de evento como ocurrió el pasado 16de abril, donde se
evidencio un número significativo de pérdidas humanas y la destrucción de
infraestructuras civiles, razón por la cual se deben tomar medidas para la aplicación
de normas y procesos constructivos, aquí la importancia de los aisladores sísmicos y
6
su incidencia en la aplicación de edificios para preservar vidas humanas y evitar
daños en las edificaciones.
1.4 Delimitación del Objeto de Investigación
1.4.1 Delimitación Espacial
La investigación constará de estudios de campo, los cuales se realizarán
específicamente en el área disponible para la construcción del edifico SKY BUILDING
que se encuentra ubicado en la ciudad de Guayaquil, en las calles Av. de Las
Américas 510, Guayaquil.
Figura 1. Ubicación del edificio SKY BUILDING
FUENTE: Google Maps.
1.5 Justificación del Tema
De acuerdo a la Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC-15, la ciudad de
Guayaquil se encuentra en una zona alta de peligrosidad sísmica, y debido a los
eventos sísmicos que se han presentado últimamente, se justifica el presente trabajo
de investigación para fortalecer y presentar nuevas alternativas en los sistemas
constructivos.
7
El pasado 16 de abril del 2016, nuestro país se vio afectado por uno de los
terremotos más devastadores de la historiase, causando muerte y devastación en las
estructuras de la costa ecuatoriana, es por esto que se presenta este trabajo de
investigación, el cual causara un efecto positivo en la seguridad de las edificaciones
y por ende salvaguardar vidas humanas.
Las investigaciones y desarrollo de los dispositivos pasivos de disipación de
energía para aplicaciones estructurales tienen aproximadamente 25 años de historia.
La aplicación de este sistema de aislamiento en la base será muy útil, ya que lograra
absorber las fuerzas laterales producidas por los sismos, cuando estos sistemas
son incorporados a la súper-estructura de un edificio absorben una parte de la energía
de entrada, para de esta manera reducir la demanda de disipación de energía en los
miembros primarios estructurales y minimizar el posible daño estructural.
8
CAPITULO II
MARCO TEORICO
1.1 SUELOS Y CIMENTACIONES.
La cimentación es el conjunto de elementos estructurales que se encargan de
transmitir todas las acciones procedentes de la estructura hacia el suelo en donde
esta se encuentra cimentada.
Los edificios de gran altura tienen una problemática a diferencia de los edificios de
menos altura, debido a que los edificios de gran altura se encuentran generalmente
sometidos a esfuerzos dinámicos, tales como acción de viento o a movimientos
sísmicos.
La estabilidad de una estructura depende fundamentalmente de su cimentación,
por lo que el estudio y cálculo de esta exige gran cuidado y mucha importancia. La
falta de consolidación hace que una estructura tenga asientos diferenciales muy
importantes, esto debido a que los terrenos son deficientes y requieren pilotajes o
cimentaciones flotantes, o cuando la importancia de la obra lo aconseje, se debe
recurrir al asesoramiento de expertos en el caso.
2.1.1 Estudio geotécnico
Se define como estudio geotécnico al conjunto de actividades que comprenden la
investigación del subsuelo, mediante extracción de muestras y por consiguiente
ensayos en laboratorio. Estos estudios comprenden conocimiento del origen
geológico, la exploración, y los ensayos de campo, para determinar las características
físico-mecánicas e hidráulicas del subsuelo.
9
Un estudio geotécnico deberá incluir por lo menos los siguientes parámetros:
2.1.1.1 Actividades llevadas a cabo para reconocer el terreno
Prospección del terreno mediante:
• Calicatas
• Sondeos mecánicos
• Pruebas de penetración,
• Métodos geofísicos.
Ensayos de campo
• Ensayos de penetración estándar o por sus siglas en ingles SPT
• Ensayo Presiométrico
• Ensayo de carga con placa, etc.
Toma de muestras
• Resistencia
• Permeabilidad
• Expansividad
• Granulometría
• Humedad
• Límites de atterberg
• Contenido de materia orgánica, etc.
10
2.1.1.2 Conclusiones y resultados del estudio geotécnico
Por lo tanto, el estudio geotécnico también incluirá los resultados y conclusiones
obtenidos, para así conocer las características geológicas y geotécnicas del suelo.
Como información previa a la realización del estudio geotécnico, y parte integrante
del mismo, se debe conocer todos aquellos datos que puedan condicionar sus
características, solicitaciones e influencias. En particular, y sin ánimo exhaustivo,
cabe mencionar el perfil del terreno, la existencia de vertidos, canalizaciones y
servicios enterrados, la existencia de posibles fallas, terrenos expansivos, terrenos
agresivos, existencia y ubicación de rellenos, pozos, galerías, depósitos enterrados,
la naturaleza y configuración de las cimentaciones de los edificios colindantes, etc.
Es de especial interés disponer de los datos que se hayan recogido en el estudio
geotécnico realizado con motivo de las obras de urbanización de la zona.
(Corporacion de Desarrollo Tecnologico, 2011)
Deben preverse tomas de muestras adicionales a medida que la obra avanza con
objeto de detectar alteraciones en las condiciones del suelo, aparición de estratos
diferentes a los previstos, alteraciones en el nivel de la capa freática, etc. A efectos
del reconocimiento del terreno, la unidad a considerar es el edificio o el conjunto de
edificios de una misma promoción.
El número de puntos de reconocimiento, con un número mínimo de tres, debe
determinarse ajustándose a las disposiciones del código técnico de la edificación que
establece las distancias máximas entre ellos y su profundidad en función del tipo de
edificio y de la naturaleza general del terreno. El Código Técnico de la Edificación
(CTE-2015) distingue los siguientes tipos de construcciones y de terrenos:
11
Tabla 1. Tipos de construcciones según CTE.
TIPO DESCRIPCIÓN
C-0 Construcciones de menos de 4 plantas y superficie construida inferior a 300m2
C-1 Otras construcciones de menos de 4 plantas.
C-2 Construcciones entre 4 y 10 plantas.
C-3 Construcciones entre 11 y 20 plantas.
C-4 Conjunto monumentales o singulares, o de más de 20 plantas. FUENTE. Código Técnico de Edificación-2015.
Tabla 2. Tipos de terrenos según CTE.
GRUPO DESCRIPCIÓN
T-1 Terrenos favorables: aquellos con poca variabilidad, y en los que la práctica
habitual en la zona es de cimentación directa mediante elementos aislados.
T-2
Terrenos intermedios: los que presentan variabilidad, o que en la zona no
siempre se recurre a la misma solución de cimentación, o en los que se puede
suponer que llenen rellenos antrópicos de cierta relevancia, aunque
probablemente no superen los 3 m.
T-3
Terrenos desfavorables: los que no pueden clasificarse en ninguno de los tipos
anteriores. De forma especial se consideraran los siguientes terrenos:
a. Suelos expansivos
b. Suelos colapsables
c. Suelos blandos o sueltos
d. Terrenos kársticos en yesos o calizas
e. Terrenos variables en cuanto a composición y estado
f. Rellenos antrópicos con rellenos superiores a 3 m
g. Terrenos en zonas susceptibles de sufrir deslizamientos
h. Rocas volcánicas en coladas delgadas o con cavidades
i. Terrenos con desnivel a 15 grados
j. Suelos residuales
k. Terrenos de marismas T
FUENTE. Código Técnico de Edificación-2015.
2.1.2 Asentamientos de obra e inicial del terreno
El asiento relativo de los materiales y la adaptación el plano de asiento de la
construcción sobre el terreno, constituyen las lesiones de adaptación, que serán en
la obra nueva o en las reconstrucciones. Podemos definirlo como el acoplamiento de
los materiales para acomodarse a las circunstancias de uso.
12
Los asientos diferenciales en los terrenos son fenómenos naturales que conviene
observar durante un período de tiempo hasta comprobar su estabilización. Sus
causas se encuentran en la adaptación de los materiales, la de los morteros y la del
terreno. (Fernández, 2013)
Figura 2. Grietas producidas en fachadas de edificios por asientos diferenciales
FUENTE: (EDEFER, 2002)
2.1.3 Técnicas de reconocimiento en un estudio de suelos.
El código técnico de edificación clasifica al tipo de construcción de acuerdo al área
y el número de plantas (ver tabla 2), así mismo el CTE, realiza la clasificación de
acuerdo al tipo de terreno; estos datos nos permitirán saber en el futuro cuántos
puntos de reconocimiento debo realizar. Se entiende por prospección a todas las
actividades concernientes a: calicatas, sondeos mecánicos, pruebas continuas de
penetración o métodos geofísicos; que nos permitan conocer las características
geotécnicas y disposición del terreno. Se establece realizar una prospección (3
perforaciones SPT = 1 prospección); en un área de 5.000 m2. No olvidar que el
número mínimo de puntos a reconocer serán 3 nunca inferiores a éste. Si los terrenos
superan los 10.000 m2 se reducirá la densidad de puntos hasta en un 50% de los
determinados. La profundidad establecida debe ser tal que no le permita al terreno
13
experimentar asientos significativos bajo la acción de las cargas del edificio. Dicha
profundidad viene establecida por 2m más 0,30m por cada planta a construirse.
Tomar en consideración que las líneas de presión siguen la relación 1H:2V
aproximadamente. (Codigo Tecnico de Edificacion, 2006)
1.2 CRITERIOS TÉCNICOS PARA EL ESTUDIO DE SUELO.
De entre las técnicas de reconocimiento más frecuente tenemos:
• Catas o pozos.
Permiten observación directa del terreno: Se lo debe realizar cuando:
✓ Profundidad < 4m.
✓ Ausencia de nivel freático.
✓ Terrenos cohesivos.
✓ Se la extrae en un sitio donde no afecte a la futura construcción.
• Sondeos manuales o mecánicos.
Son perforaciones de pequeño diámetro que permiten conocer la naturaleza y
localización de las diferentes capas del terreno. Se clasifican en:
• Sondeos manuales. Similares a la barra helicoidal.
• Sondeos mecánicos.
• Helicoidales. Se usa en suelos blandos a presión.
• Sondeos mecánicos a percusión y rotación. El mecánico a percusión
es a golpe e identifica suelos granulares, y el de rotación se lo hace
encamisándolo para extraer la muestra. Los tipos de sondeos
tenemos: SPT, Molinete o veleta, Presiométrico.
• Pruebas de penetración estática o dinámica. Se los hace con energía de
impacto normalizada. La prueba dinámica se hace una correlación con la de
14
SPT, mientras que la estática se lo hace a presión. En ambos casos se utiliza
equipo destinado para el efecto.
• Métodos geofísicos. Se los utiliza para cubrir grandes áreas, y se sirven de los
sondeos mecánicos para equipolar propiedades de los suelos. Son del tipo:
Eléctricos verticales, sísmica de refracción, y gravimétrica.
• Pruebas in situ. Tenemos varios ensayos que se pueden realizar en el campo
como son: ensayo de carga con placa, ensayo de carga en suelos blandos,
ensayos en prototipos de cimentaciones, permeabilidad y varios que se puedan
realizar en el interior de las catas.
2.2.1 Tipos de perfiles de suelos para el diseño sísmico
La Norma Ecuatoriana de la construcción clasifica en 6 tipos de perfiles de suelo,
esta clasificación la realiza tomando en consideración el perfil de roca, humedad,
velocidad de onda cortante, índice de plasticidad, etc.
La NEC-15 clasifica al suelo mediante los tipos de perfil A, B, C, D, E y F
parámetros utilizados a los 30m superiores de los perfiles enunciados anteriormente.
(NEC, 2015)
15
Tabla 3. Clasificación de los perfiles de suelo
FUENTE. NEC-2015
2.2.2 Factores de sitio Fa, Fd y Fs
Los suelos tipo F requieren de un tipo de estudio especial, por lo cual no se
proporcionan valores de Fa, Fd ni de Fs, debido a que requieren un estudio especial.
16
• Fa: Coeficiente de amplificación de suelo en la zona de período corto.
Valores del coeficiente de amplificación de suelo en la zona de periodo corto Fa
según Norma Ecuatoriana de la Construcción 2015. (NEC, 2015)
Tabla 4. Factores de sitio Fa
Tipo de
perfil del
subsuelo
Zona sísmica y factor Z
I II III IV V VI
0.15 0.25 0.30 0.35 0.40 ≥ 0.50
A 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9
B 1 1 1 1 1 1
C 1.4 1.3 1.25 1.23 1.2 1.18
D 1.6 1.4 1.3 1.25 1.2 1.12
E 1.8 1.4 1.25 1.1 1.0 0.85
FUENTE. NEC-2015
• Fd: amplificación de las ordenadas del espectro elástico de respuesta
de desplazamientos para diseño en roca.
Valores de amplificación de las ordenadas del espectro elástico de respuesta de
desplazamientos para diseño en roca, según Norma Ecuatoriana de la Construcción
2015. (NEC, 2015)
Tabla 5. Factores de sitio Fd
Tipo de perfil
del subsuelo
Zona sísmica y factor Z
I II III IV V VI
0.15 0.25 0.30 0.35 0.40 ≥ 0.50
A 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9
B 1 1 1 1 1 1
C 1.4 1.3 1.25 1.23 1.2 1.18
D 1.36 1.28 1.19 1.15 1.11 1.06
E 1.8 1.4 1.25 1.1 1.0 0.85
FUENTE. NEC-2015
• Fs: comportamiento no lineal de los suelos.
Valores del comportamiento no lineal de los suelos Fs, según Norma Ecuatoriana
de la Construcción. (NEC, 2015)
17
Tabla 6. Factores del comportamiento inelástico del subsuelo Fs
Tipo de
perfil del
subsuelo
Zona sísmica y factor Z
I II III IV V VI
0.15 0.25 0.30 0.35 0.40 ≥ 0.50
A 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75
B 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75
C 0.85 0.94 1.02 1.06 1.11 1.23
D 1.02 1.06 1.11 1.19 1.28 1.40
E 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2
FUENTE. NEC-2015
2.3 CIMENTACIONES.
2.3.1 Elementos de una cimentación.
Cimentación es la parte de la estructura encargada de transmitir las cargas al
terreno; está constituida por dos partes:
• El elemento estructural “cimiento” que se encarga de transmitir las cargas al
suelo.
• El “terreno de cimentación” que es afectado por dichas cargas. Por lo tanto
las características del terreno dependen tanto de la estabilidad de la
cimentación como de los asentamientos que pueda experimentar.
2.3.2 Tipos de cimentación.
2.3.2.1 Cimentación en pozo
La cimentación en pozo constituye una solución intermedia entre cimentaciones
profundas y superficiales. Se aplica cuando la resistencia del suelo requerida se
alcanza a profundidades medias, pero sin que se justifique la necesidad de cimentar
con pilotes. Para su ejecución se excava un pozo hasta la cota resistente y, a partir
de aquí, existen dos posibilidades.
18
• La primera consiste en rellenar el pozo con hormigón pobre hasta cota
conveniente y, sobre esta columna, se apoya la zapata.
• La segunda consiste en ejecutar la zapata directamente sobre el suelo y,
con objeto de no aumentar la esbeltez del pilar, apoyar este sobre un
plinto de hormigón.
En ambos casos es preciso considerar en el cálculo el peso adicional, sea del
bloque de relleno de hormigón o de la tierra sobre la zapata.
Cuando existan momentos o esfuerzos horizontales elevados aplicados en la base
del pilar y el empuje lateral del terreno sea escaso deben introducirse vigas
centradoras. (MAPFRE, 2012)
Figura 3. Tipos de pozo de cimentación
FUENTE. (MAPFRE, 2012)
2.3.2.2 Cimentaciones profundas
Las cimentaciones profundas se emplean cuando los estratos superiores del
terreno no son aptos para soportar una cimentación con zapatas. En general, se
considera una cimentación como profunda cuando su extremo inferior sobre el terreno
se encuentra a una profundidad superior a ocho veces su anchura o diámetro.
(MAPFRE, 2012)
19
Por su mayor complejidad tanto en su modo de trabajar como en la ejecución o en
los materiales empleados no existe una clasificación clara por lo que pasamos a
exponer estos aspectos aclarando que cada pilote se obtiene combinando todas ellos.
En la colocación de pilotes existen tres técnicas diferentes, el hincado, la
colocación y la ejecución “in situ”.
El hincado consiste en la introducción en el terreno de los pilotes ya formados
mediante vibración o percusión con martinetes provistos de mazas. Estos métodos se
emplean con pilotes de hormigón prefabricado, de madera o perfiles metálicos
provistos, en cualquiera de los casos, de protecciones metálicas adecuadas en la
punta (azuches). La maquinaria debe estar dotada de dispositivos de control que
impidan el descentrado de las masas. Teniendo en cuenta que esta operación
produce desplazamientos laterales en el terreno, el proyecto de hincado debe
contemplar una ejecución desde el interior de la obra hacia el exterior. (MAPFRE,
2012)
La colocación se restringe a pilotes metálicos que se introducen en pozos
excavados previamente y que, posteriormente, se rellenan con mortero o con
hormigón.
La ejecución “in situ” consiste en realizar una excavación en pozo con o sin
entibado hasta cota de asiento donde se introducen el hormigón y las armaduras. Los
pozos se entiban con camisas que se retiran a medida que avanza el hormigonado
salvo que existan condiciones susceptibles de cortar o deteriorar el hormigón
(corrientes subterráneas, suelos deformables) en cuyo caso debe considerarse el
20
perderlas. Cabe también la entiba sustitutiva o complementaria mediante relleno de
lodos bentónicos.
Dentro de las cimentaciones profundas se debe considerar lo siguiente:
Configuración. - Se consideran cuatro configuraciones principales: pilotes
aislados, grupos de pilotes, zonas pilotadas y micropilotes.
• Los pilotes aislados son aquellos que están lo suficientemente alejados
de los demás pilotes como para que no exista interacción geotécnica
entre ellos.
• Los grupos de pilotes se encuentran unidos por elementos lo
suficientemente rígidos como para que los pilotes trabajen
conjuntamente.
• Las zonas pilotadas son aquellas en las que los pilotes no sirven de
apoyo directo a los soportes, sino que están colocados para reducir los
asientos o asegurar la estructura. En estos casos los pilotes son de
escasa capacidad portante individual y estar situados a distancias
regulares.
• Por último, los micropilotes son aquellos compuestos por una armadura
metálica formada por tubos, barras o perfiles colocados en un taladro de
pequeño diámetro inyectado con lechada de mortero a presión más o
menos elevada. Este tipo de elementos se emplea fundamentalmente en
operaciones de recalce de cimentaciones que han sufrido asientos
diferenciales de suficiente importancia como para haber producido
deterioros en la integridad del edificio.
21
Figura 4. Recalque de cimentación con micropilotes
FUENTE. MAPFRE
Forma de trabajo. - Los pilotes tienen tres partes: punta, fuste y encepado
o apoyo. Su modo de trabajo depende de la naturaleza del terreno y de la
profundidad a la que se encuentre un estrato resistente. Cuando no resulta
técnica o económicamente viable alcanzar un estrato con resistencia
adecuada se diseñan los pilotes para su trabajo por fuste, en cuyo caso se
denominan flotantes, y transmiten la carga al terreno por rozamiento. Si
existe la posibilidad de llegar a una zona de mayor resistencia se considera
que el pilote trabaja por punta, con contribución o no del fuste. (MAPFRE,
2012)
Figura 5. Pilotes.
FUENTE. MAPFRE
22
Los encepados se pueden arriostrar cuando resulte necesario mediante vigas
centradoras en una o en dos direcciones y/o con un forjado de solera.
Materiales. - La construcción de pilotes admite distintos materiales:
Hormigón armado ejecutado “in situ” mediante excavación previa, aunque también
podrán realizarse mediante desplazamiento del terreno o con técnicas mixtas
(excavación y desplazamiento parcial)
• Hormigón prefabricado que podrá ser hormigón armado (hormigones
de alta resistencia) u hormigón pretensado o Postensado. Hay que
tener en cuenta que, si los pilotes son de gran longitud, los armados
deben estar previstos para soportar las tensiones derivadas del
transporte.
• Acero configurado en secciones huecas de forma tubular o con
perfiles en doble U; también perfiles laminados en H.
• Madera que se podrá utilizar para pilotar zonas blandas amplias,
como apoyo de estructuras con losa o terraplenes
• Mixtos, formados de acero tubular rodeados y/o rellenos de mortero
2.3.2.3 Cimentaciones superficiales
2.3.2.3.1 Ejecución.
Este tipo de cimentaciones admite dos métodos de ejecución en función,
principalmente, de la naturaleza del terreno situado sobre la cota de asiento de las
zapatas, aunque caben otras consideraciones. (MAPFRE, 2012)
23
Figura 6. Cimentación superficial.
FUENTE. MAPFRE
En primer lugar, en suelos coherentes con poco riesgo de desmoronamientos se
procede a la excavación directa del hueco de la zapata, se coloca una capa de
hormigón de limpieza, se sitúan las armaduras y se hormigonera directamente
actuando la excavación como cajón de encofrado.
Cuando, por el contrario, el terreno presenta poca cohesión se hace preciso
realizar excavaciones más amplias y emplear un encofrado convencional.
Figura 7. Cajones de encofrado para zapatas
FUENTE. MAPFRE
Teniendo en cuenta que estas excavaciones ampliadas pueden dificultar el
movimiento de la maquinaria, en ocasiones resulta preferible descalzar el terreno
24
hasta la cota de apoyo de los cimientos, realizar las zapatas encofrando con cajones
y, una vez terminada la cimentación, rellenar.
2.4 MUROS Y PANTALLAS
Los muros y pantallas son capaces de resistir los empujes que se dan debido a
taludes, estos sistemas sirven como contención de tierras, capaz de transformar el
empuje en acciones admisibles por el mismo y por el plano de contacto entre el muro
y el suelo. (MAPFRE, 2012)
2.4.1. Pantallas
Para solucionar los problemas de cimentación y contención de tierras, en edificios
con sótano, se empezaron a desarrollar a principio de los años 50 la técnica de los
muros-pantallas.
El muro pantalla soluciona los problemas de excavación y contención de tierras,
sobre todo cuando existe dificultad en la estabilidad de la excavación y cuando existe
preocupación en la seguridad de edificios colindantes.
Figura 8. Pantalla de pilotes
FUENTE. MAPFRE
25
2.4.2. Muros de contención.
Como nos hemos dado cuenta anteriormente, los suelos liberan empuje cuando
por la geometría del macizo no existía confinamiento lateral.
Muchas actividades humanas tales como la agricultura, la construcción, etc.
Necesitan la trasformación de laderas o taludes en superficies planas. Así se genera
un gran número de frentes verticales desequilibrados.
Las estructuras capaces de soportar estas acciones se denominan muros de
contención o simplemente muros. (Reixach, 2003)
2.4.2.1. Condiciones de los muros.
Cuando son por gravedad, solo cuentan con los pesos para estabilizar el empuje.
Se deberá considerar 3 equilibrios básicos. (Reixach, 2003)
• Que no vuelque (suma de momentos igual a cero)
• Que no deslice (suma de cortantes igual a cero)
• Que las tensiones en la punta del cimiento sean admisibles.
2.4.2.2. Clasificación de los muros.
2.4.2.2.1. Muros por gravedad.
Son aquellos en los que el fuste no es resistente a flexiona, en su mayoría suelen
ser deformables y no se destruyen si se producen asientos considerables, por lo que
tienen un buen comportamiento ante suelos de mala calidad. Estos muros en general
no precisan armadura y son los más resistentes a los agentes destructivos.
26
En este apartado suelen incluirse los muros de materiales constructivos no
resistentes a la tracción tales como ladrillos, hormigón en masa, etc. Aunque estos no
se benefician de la capacidad de los anteriores para adecuarse a suelos deformables,
y los muros resistentes a flexión, que son los más habituales y que serán objeto de
desarrollo más detallado. (Reixach, 2003)
2.4.2.2.2. Muros soportados
Estos pueden clasificarse en muros conseguidos por recalques sucesivos y en los
que se basan en una pantalla construida previamente a cualquier otra actividad. Los
sistemas de sustentación, provisionales o definitivos, de estas pantallas suelen ser:
por anclajes, por bermas, por apuntalamiento interior, para así combinar varios
sistemas, por apoyo definitivo en los forjados. El sistema ascendente-descendente es
el que mejor garantiza la indeformabilidad. (Reixach, 2003)
Queda aparte un método difícil de clasificar, debido a que tiene en común con los
de gravedad que se deforma libremente, pero su sistema de equilibrio no se basa en
el peso sino en la reacción pasiva del propio suelo en su empotramiento, además
suele construirse a partir de la tecnología de pantallas.
2.4.2.2.3. Muros a flexión.
Los muros más habituales suelen ser los denominados en L invertida y en T, que
funcionan de forma distinta y suelen utilizarse para diferentes tipos de trabajo.
El muro en L es un muro idóneo si el suelo presenta la cohesión suficiente para
soportar el empuje provisionalmente y si tiene que construirse junto a un límite de
finca, pero por la forma en que es construido difícilmente podemos controlar el agua
que pueda acumularse en su parte posterior. Los otros tipos pueden ser intervenidos
27
por detrás y, por tanto, podrán drenarse e impermeabilizarse. El muro en T es el único
que puede funcionar adecuadamente cuando este recibe las cargas en la coronación,
debido a que la zapata puede contraerse con el fuste. (MAPFRE, 2012)
Figura 9. Muro de gravedad
FUENTE. MAPFRE
Figura 10. Muro en ménsula con contrafuerte
FUENTE. MAPFRE
2.5 ANCLAJES
Los anclajes al terreno son elementos que tienen como misión contribuir a la
estabilidad de muros y pantallas, así como la resistencia a sub-presión en estructuras.
28
Constan de una cabeza transmisora, una longitud libre y un sistema de fijación al
terreno o bulbo de anclaje que, habitualmente, se forma por inyección de una masa
de hormigón. Los cables de sujeción pueden estar pretensados. (MAPFRE, 2012)
Figura 11. Anclaje FUENTE. MAPFRE
A los efectos de su diseño y control se distingue entre anclajes provisionales, cuya
duración no es superior a dos años, y permanentes para periodos de tiempo más
prolongados.
2.6 INTRODUCCIÓN A LOS AISLADORES SÍSMICOS
A pesar de que el aislamiento de base para edificios es un sistema que apenas se
está implementando en nuestro País, existe un amplio número de edificios históricos
protegidos con algún sistema de aislamiento. (Kirikov, 1992)
La primera patente de este sistema de aislamiento de base lo realizo el alemán
Jacon Bechtold, en los Estados Unidos en al año de 1906 y corresponde a un
aisalmiento por fricción.
29
2.6.1 Desarrollo de las estructuras con aislamiento.
Este tipo de estructuras consiste en una planta de aislamiento en la base del
edificio, la cual se encarga de absorber en su totalidad las fuerzas sísmicas. Los
aisladores formados por láminas de elastómeros y disipadores de energía.
Cabe recalcar que en unja estructura que tenga periodos de vibración más largos,
el coeficiente de fuerza de cortante de respuesta será menor, se deberá determinar
hasta donde debe alargarse T ya que esta es una de las claves del proyecto de las
estructuras que cuentan con un sistema de aislamiento de base, y aquí entran en
escena los aisladores de base fabricados con materiales elastómericos. (Akiyama,
2002)
Figura 12. Aislador de lámina de Neopreno.
FUENTE. (Akiyama, 2002)
Hiroshi Akiyama, afirma que las láminas de acero pueden ser de sección
rectangular o circular. La principal característica de los aisladores elastómericos, es
que combinan una alta resistencia a cargas verticales con una reducida rigidez lateral,
dando lugar a periodos de vibración mucho más largos.
La geometría del aislador de láminas elastómericos zunchadas se puede expresar
mediante dos coeficientes de forma:
• 𝑠1= Cociente entre la superficie de cada cara de elastómero, cuya deformación
está impedida, y la superficie lateral libre de una lámina de elastómero.
30
• 𝑠2= Cociente entre el dentro de las láminas de elastómero y el espesor total de
las mismas.
Para un conjunto de nl láminas elastómericas de radio r y espesor t, los coeficientes
de forma s1 y s2 se pueden expresar de la siguiente en la ecuación 1:
𝑠1 =𝑟
2𝑡; 𝑠2 =
2𝑟
𝑛𝑙𝑡
(1.)
Mediante investigaciones hechas se ha corroborado que la capacidad del aislador
elastómerico aumenta a medida que el primer coeficiente de forma también lo hace,
y que la rotura de las chapas de acero bajo tensiones de tracción es el factor que
limita la resistencia a cargas verticales del aislador de base. Un parámetro relacionado
con la estabilidad del aislador y se ha propuesto como condición para evitar el pandeo
es el segundo coeficiente de forma s2 ≥ 5,0.
Figura 13. Mecanismo resistente a cargas verticales de un aislador formado por láminas de
elastómero. FUENTE. (Akiyama, 2002)
31
Siendo:
r: Radio total de la lámina elastómerica intercalada entre dos placas de acero, se
puede suponer que la parte central de la lámina elastómerica de radio ar está
sometida a una presión interior constante p bajo la carga vertical P, y que la presión
interior p esta equilibrada por las tenciones tangenciales que aparecen en la zona de
borde de la lámina elastómerica de ancho (1 − a)r. Del equilibrio de fuerzas en la
dirección radial, se puede obtener la presión interior p como se describe a
continuación:
𝑝 =𝑟(1 − 𝑎2)𝜏
𝑎𝑡
(2.)
Siendo: τ la tensión tangencial entre la lámina elastómerica y las placas de acero
Tensión normal media superficial sobre el aislador.
𝜎 =𝜋𝑎2𝑟2𝑝
𝜋𝑟2=
𝑟
𝑡𝑎(1 − 𝑎2)𝜏 = 2𝑠1𝑎(1 − 𝑎2)𝜏
(3.)
2.6.2 Formulación fundamental de las estructuras con aislamiento de
base.
La planta de aislamiento se dispone entre la estructura superior, y la subestructura
que entabla lo que es la cimentación, las cuales transmiten las cargas al suelo. Los
aisladores de base de láminas elastómericos se instalan bajo los pilares. En los
edificios de gran altura la rigidez superior suele ser mayor en comparación con la
rigidez de la planta donde se encuentra el aislamiento, esto con la finalidad de que el
conjunto de todas las estructuras que presentan aislamiento de base, pueda definirse
como un sistema dinámico de masa concentrada. (Akiyama, 2002)
32
Al producirse un evento sísmico el sistema de aisladores absorbe toda la energía
introducida por el terremoto, siendo almacenada en un primer momento en los
aisladores en forma de energía y deformaciones plásticas.
En las estructuras sismo-resistentes convencionales expuestas ante un terremoto,
la energía sísmica se disipa mediante la plastificación de los propios elementos
estructurales, mientras que las estructuras con aislamiento de base la disipación de
energía se concentra en los disipadores instalados en la planta de aislamiento.
(Akiyama, 2002)
2.6.3 Ventajas de las estructuras con aislamiento de base.
Son muchas las ventajas que tienen las estructuras con aislamiento en base, las
cuales se enuncian a continuación:
• Las estructuras con aislamiento de base constituyen el tipo de
estructuras sismo-resistente más simple desde el punto de vista del
balance energético y el grado de incertidumbre en la predicción de su
respuesta es pequeño.
• El papel fundamental del aislador de base, es de soportar las cargas
verticales. Y del disipador de energía, encargado de absorber las
fuerzas sísmicas.
• Se reducen considerablemente los daños en la estructura superior, así
mismo reduce la aceleración de respuesta sísmica.
En el caso de edificios de poca o mediana altura el periodo Fundamental de vibración
de la estructura no puede alargarse más allá de cierto valor, lo cual imposibilita la
reducción de la aceleración de respuesta de la estructura.
33
Los aisladores elastómericos con núcleo de plomo de la serie LRB (lead rubber
bearings), son apoyos de caucho reforzado, es decir conformadas por capas
alternados de acero y caucho unidos a través de la vulcanización, con un núcleo
central de plomo de forma cilíndrica. (Castro, 2008)
2.7 AISLADORES ELASTOMÉRICOS CON NÚCLEO DE PLOMO
2.7.1. Descripción de aislador elastómericos
Los aisladores elastómericos con núcleo de plomo están conformados por láminas
de caucho natural intercaladas con placas de acero, las cuales son vulcanizadas entre
sí y poseen un núcleo de plomo que aumenta su capacidad de amortiguamiento. El
amortiguamiento que se logra con la inclusión del núcleo de plomo es mayor al 20%.
Estos dispositivos son fabricados a medida para cada proyecto, de acuerdo a la
rigidez horizontal, rigidez vertical, desplazamiento, capacidad de carga y capacidad
de amortiguamiento requerida. (Roberto Aguiar, 2014)
Figura 14. Esquema mecanismo de operación de sistemas activos.
FUENTE: (Roberto Aguiar, 2014)
34
Sea tr el espesor de la goma y ts el espesor de la placa de acero, la suma de los
espesores de goma se denomina Tr y en base a esta dimensión se determina la
rigidez al corte del aislador; En la parte exterior se tienen dos placas de mayor
espesor que en la figura 14 se han identificado como ttp, la superior y tbp, la inferior.
Estas placas deben ser capaces de soportar la carga axial que llega al aislador. Si
el espesor de la placa exterior es muy grande se puede colocar una placa de ancho
tipo en la parte interior del aislador. (Roberto Aguiar, 2014)
35
CAPITULO III
MARCO METODOLOGICO
3.1 Muestra
Como objeto de estudio se tomó el edificio SKY BUILDING ubicado en el corazón
de Aerocity a la salida del aeropuerto José Joaquín de Olmedo de Guayaquil, al lado
del Hotel Holiday INN, este edificio funcional que mira a la ciudad, y que ha sido
diseñado para vivir una experiencia de trabajo inspiradora, con su business center,
cafetería, espacio abiertos, tecnología, estacionamientos y seguridad.
Este edificio cuenta con un sótano, planta baja, 11 pisos altos y terraza. El área de
implantación del proyecto es rectangular y sus dimensiones aproximadas son de 105
x 30 metros. Cada piso tiene un área útil aproximada de 2500 m2.
3.2 Métodos
El presente trabajo de investigación, por su naturaleza consideró utilizar los
siguientes métodos:
3.2.1 Lógico-Deductivo
Se aplicarán los principios que establecen la Norma Ecuatoriana de la
Construcción (NEC-15) y las Normas Estadounidenses (ACI 318-11), los cuales son
claves para poder determinar el tipo de estructura sismo-resistente, que cumpla los
requerimientos mínimos estipulados en los códigos.
3.3 Técnicas
Las técnicas son las distintas formas o maneras de obtener la información, de interés
directo al tema de investigación se obtendrá información adecuada, coherente y
necesaria para indicar e identificar conceptos bases para la investigación.
36
Este proyecto se lo realiza aplicando dos técnicas de investigación.
Técnica de investigación de campo
Técnica de investigación tecnológica
3.3.1 Investigación de campo
La investigación de campo se presenta mediante la manipulación de una variable
externa no comprobada, en condiciones rigurosamente controladas, con el fin de
describir de qué modo o porque causas se produce una situación o acontecimiento
particular.
Mediante este tipo de técnica se logró realizar in situ el respectivo estudio de suelo,
que mediante este análisis se pudo definir la cimentación para el edificio en estudio.
3.3.2 Investigación tecnológica
Esta técnica genera una importante cantidad de conocimientos y contribuye en
forma decisiva a la interpretación de la realidad.
Una vez que hemos definido bien estos conceptos y teorías, los mismos incidirán
de manera directa al momento de aplicar la práctica y utilizar el simulador
computacional para nuestro modelo matemático de nuestra investigación
3.4 MATERIALES
Para llevar a cabo el diseño y desarrollo del proyecto se recurrió a soportes físicos
tales como libros, revistas, documentales, diapositivas, transcripciones, etc.
Durante el proceso de validación de la información se hizo el respectivo análisis y
se apoyó en un experto, en este caso un docente del área de estructuras con amplia
37
experiencia en el tema planteado, a quien se le consultó y aceptó dicho instrumento
de modo que permita la evaluación según lo observado y luego según su contenido.
Además, se utilizó recursos informáticos como webs, software, correos etc. Esto
para la respectiva modelación del modelo matemático, realización de planos, etc.
3.5 RECURSOS.
A continuación, se detalla mediante un cuadro el presupuesto destinado para la
realización de este trabajo investigativo.
Tabla 7. Valores de gastos en el proyecto
DESCRIPCION COSTO
Bibliografía e investigaciones 150
Impresiones 200
Internet 50
Encuadernado 40
Derechos de grado 0
Transporte 120
Alimentación 200
TOTAL $760
ELABORACIÓN: Deyvis Joan Sánchez
38
CAPITULO IV
DESARROLLO DEL PROYECTO
La memoria técnica presentada a continuación corresponde exclusivamente al
diseño de la cimentación y aisladores sísmicos del mencionado proyecto. Cabe
mencionar que todos los resultados mostrados en esta memoria contemplan el uso
de aisladores sísmicos en la estructura del edificio, como consecuencia de ello, la
cimentación del edificio fue diseñada para soportar fuerzas sísmicas reducidas
producto de la disipación de energía proporcionada por estos dispositivos.
4.1 Estudio e informe geotécnicos de exploración (perforaciones)
El estudio geotécnico comprendía inicialmente 8 perforaciones a profundidades de
26.00 y 32.00 metros, líneas sísmicas de refracción y la elaboración de un informe
geotécnico (perfiles estratigráficos) con sus respectivas conclusiones y
recomendaciones.
Las figuras mostradas a continuación fueron extraídas del informe geotécnico
presentado por LAMSCO.
Figura 15. Implantación de perforación sobre terreno del proyecto.
FUENTE: LAMSCO
39
Figura 16. Perfil estratigráfico A-A.
FUENTE: LAMSCO
Figura 17. Perfil estratigráfico B-B.
FUENTE: LAMSCO
40
Mediante los resultados de los estudios geotécnicos se presentó dos alternativas
de cimentación para el edificio: la primera consideraba pilotes hincados de sección
cuadrada cimentados a profundidades que varían de 25 a 32 metros según la
profundidad del estrato resistente, y la segunda, pilotes fundidos en sitio tipo Franki.
Este informe no describe las dimensiones exactas del pilote ni sus capacidades ya
que se elaboró mucho antes del estudio estructural del edificio e incluso no preveía el
uso de sistemas de protección sísmica.
Adicionalmente, la compañía Construdipro solicitó a la compañía LAMSCO una
novena perforación debido a que la variación (inclinación) del estrato resistente era
contraria a la obtenida en el proyecto “Holliday Inn” ubicado en frente del terreno
estudiado. Dicha perforación corroboró lo obtenido en las 8 primeras perforaciones.
4.2 Estudio e informe geotécnico de capacidad portante.
Luego de evaluar el comportamiento estructural del edificio, se procedió al cálculo
de la capacidad portante del suelo y el respectivo diseño geométrico (sección
transversal y longitud) de los pilotes hincados. Para ello, se proporcionó las cargas
transmitidas a la cimentación (Cuadro de Cargas) debido al peso propio del edificio,
a las cargas vivas y a los efectos sísmicos.
Como resultado de este estudio se obtuvo los siguientes cuadros de capacidades:
41
Tabla 8. Tabla de Capacidad de pilotes hincados de 50cm de lado
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
Tabla 9. Tabla de Capacidad de pilotes hincados de 40cm de lado
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
Además de la capacidad de los pilotes hincados, el informe también proporciona
alineamientos para la correcta construcción e hincado de los pilotes, entre las más
importantes se consideran las siguientes:
• Seleccionar el equipo de hinca (caso pilotes hincados) que permita
garantizar la penetración efectiva en el estrato firme mediante el registro
sistemático del número de golpes del martillo hinca.
• La secuencia ejecutiva recomendada para la instalación de pilotes es la de
iniciar la actividad de adentro hacia afuera del área. Esto se debe a que la
42
hinca progresiva va densificando el suelo y se dificulta la penetración de
pilotes vecinos, sin llegar a la longitud establecida.
• Los pilotes prefabricados serán hincados con martillo de capacidad
suficiente hasta el “rechazo”, se tomará como “rechazo” la condición de
penetración en el estrato firme en el metro final del hincado, cuando se
registra un número de golpes del martillo de 25, en tramos de 10cm, durante
3 tramos consecutivos de la hinca.
• Si se emplea un martillo de gran capacidad, la compañía de hinca de pilotes
puede presentar alternativas para disminuir el número de golpes en el
rechazo, siempre y cuando, lo sustente con cálculos en base de software
que consideren la reducción normal de eficiencia de su equipo en la obra
(mucho menor al 100%) en función del tiempo de uso del equipo y de los
criterios del fabricante. Caso contrario, prevalecerá la prescripción antes
descrita.
• Si se emplea martillo vibratorio, se deberá verificar la cota de cimentación
con la penetración especificada en el estrato firme.
• Los pilotes hincados se fabricarán con 1m adicional siendo este tramo
necesario para ser descabezado, por efecto del daño que sufre siempre el
primer tramo inicial ante los golpes de martinete o martillo vibratorio.
• Se recomienda en lo posible ejecutar pruebas P.D.A. (PILE DYNAMICS
ANALYZER) en cualquiera de los pilotes que se seleccione, en un número
de 6 mínimo, con el objetivo de verificar la capacidad ultima de ellos, la
relación carga-asentamiento, y el comportamiento geotécnico general de los
mismos.
43
En referencia al número de pruebas de carga PDA a realizarse en los pilotes
hincados, la compañía Construdipro y Sísmica Ingenieros Consultores acordaron en
que debían realizarse 12 pruebas, distribuidos a lo largo del terreno, debido a las
dimensiones del edificio.
Para obtener resultados más reales, se recomienda realizar las pruebas PDA 15
días después del pilotaje y así permitir que la arcilla recupere sus características
originales.
4.3 Otras exploraciones geotécnicas
Debido a que los estudios realizados por LAMSCO solo penetraron 4 metros del
material resistente y por la posibilidad de una alternativa con pilotes barrenados, se
recomendó a la compañía Construdipro contratar nuevas perforaciones de mayor
profundidad y así conocer con certeza las características y espesores de la capa
resistente.
Estas nuevas perforaciones fueron realizadas por las compañías SOLUM (2
perforaciones) y LAMSCO (4 perforaciones). La ubicación de dichas perforaciones se
muestra en la siguiente figura.
44
Figura 18. Ubicación de perforaciones adicionales en el terreno del proyecto.
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
Los resultados de las nuevas perforaciones de la compañía LAMSCO coincidieron
con las 8 anteriores, pero no fue así en el caso de las perforaciones realizadas por
SOLUM. Esta diferencia puede ser causada por la variabilidad en la profundidad de
los estrados a lo largo del terreno o por el uso de equipos de perforación de diferentes
características.
Por esta razón, se estableció la importancia de las pruebas de carga (PDA) y así,
entre otras cosas, corroborar los resultados obtenidos en las perforaciones.
4.4 Diseño de la cimentación
4.14.1 Distribución de los pilotes.
Basados en los resultados del informe geotécnico, los cuales se basan a su vez,
en las perforaciones realizadas, se calculó el número de pilotes y su distribución a lo
largo del terreno del proyecto. Dicha distribución se muestra a continuación, ver
detalles en anexos.
45
Figura 19. Planta general de cimentación.
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
Figura 20. Planta general de cimentación entre ejes A - I.
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
46
Figura 21. Planta general de cimentación entre ejes I - I.
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
En esta configuración se consideran pilotes de 40x40cms en los 3 primeros ejes,
A B y C (lado izquierdo de la figura), el eje 1 (arriba en la figura) y bajo el muro del
sótano. Los pilotes restantes son de 50x50cms. La profundidad de los pilotes varía
según la profundidad del estrato resistente indicado en el cuadro de capacidades y
de las pruebas de carga (PDA).
4.14.2 Diseño de pilotes
La máxima carga admisible para los pilotes de 40x40cms y 50x50cmx es de 100 y
130 Tn respectivamente, según el cuadro de capacidades de pilotes hincados
mostrados en la sección 4.2. El diseño propuesto para los pilotes de 40x40cms y
50x50cms se muestra a continuación:
47
Figura 22. Figura 12. Secciones Transversales del Pilotes.
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
Las capacidades de los pilotes a cargas de compresión son las siguientes:
Pilote 40x40cms:
∅𝑃𝑛 = ∅(0.85 𝐴𝑔 𝑓′𝑐 + 𝐴𝑠 𝑓𝑦) (4.)
∅𝑃𝑛 = 0.85(0.85 (40𝑐𝑚 ∗ 40𝑐𝑚)350𝑘𝑔
𝑐𝑚2+ (12 ∗ 2.54𝑐𝑚2
4200𝑘𝑔
𝑐𝑚2)
∅𝑃𝑛 = 513.41 𝑡𝑜𝑛𝑠
Se utiliza la formula anterior para el análisis de Pilote 50x50cms:
∅𝑃𝑛 = 0.85(0.85 (50𝑐𝑚 ∗ 50𝑐𝑚)350𝑘𝑔
𝑐𝑚2+ (8 ∗ 2.54𝑐𝑚2 + 4 ∗ 3.14𝑐𝑚2)
4200𝑘𝑔
𝑐𝑚2)
∅𝑃𝑛 = 748.93 𝑡𝑜𝑛𝑠
Se calculó la resistencia del pilote debido al proceso de izado, considerando que
los puntos de izado se encuentran a 0.20L de los extremos del pilote y que la longitud
máxima del pilote es de 33 metros (valor establecido por el cliente).
𝑞 = 0.40𝑚 ∗ 0.40𝑚 ∗ 2400𝑘𝑔
𝑚3= 384
𝑘𝑔
𝑚
(5.)
𝑞𝑢 = 1.5 ∗ 384𝑘𝑔
𝑚= 576
𝑘𝑔
𝑚
48
𝑀𝑢 =576
𝑘𝑔𝑚 (0.20 ∗ 33𝑚)2
212.54 𝑡𝑜𝑛 − 𝑚
(6.)
Figura 23. Curva de capacidad de pilote de 40*40, diagrama de iteración Momento – carga
axial. FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
4.5 DISEÑO DE MURO DE SÓTANO
4.14.3 Descripción estructural del muro de sótano
El sótano del edificio Sky Building está encerrado por un muro de concreto
reforzado diseñado para fuerzas debidas a la presión lateral del suelo circundante y
a la respuesta sísmica de dicho suelo contra el muro.
El muro del sótano tiene 30 cm de espesor. A lo largo del muro se han dispuesto
columnas con el fin de colocar deslizadores así garantizar la aislación completa de la
estructura con la cimentación. Sobre los deslizadores se construirá la losa de planta
baja con sus respectivas vigas.
Al ocurrir un evento sísmico se espera que la losa de planta baja se desplace
máximo 25 cm, por lo que es necesario de juntas flexibles que conecten la losa de
planta baja con el muro de sótano, para ello se ha previsto desplazar le eje vertical
49
del muro en la parte superior de tal manera que se permita el apoyo la planta baja en
el muro y a su vez permita la instalación de la junta flexible conectando la planta baja
con el muro.
Figura 24. Secciones Transversales del Muro de Sótano.
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
Como se muestra en la figura anterior, el muro de sótano trabaja en cantiléver en
conjunto con las columnas de apoyo de los deslizadores, a diferencia de otros
proyectos donde el muro del sótano también está arriostrado en su parte superior por
la losa de planta baja.
4.14.4 Análisis estructural del muro de sótano
El análisis estructural del muro de sótano se realizó por medio del cálculo del
empuje activo de tierras por el método de Coulomb y por el método de Mononobe-
Okabe para el análisis sísmico.
1.14.4.1 Método Empuje Activo de Coulomb
Para el cálculo de la fuerza debido empuje activo del suelo, Pa, se aplica la
siguiente fórmula:
50
𝑝𝑎 =1
2𝑘𝑎𝛾ℎ𝑎
2 (7.)
Siendo,
𝛾 : El peso específico húmedo del suelo.
𝐻𝑎 : Altura del muro
𝑘𝑎: Coeficiente de empuje activo de Coulomb
𝐾𝑎 =𝑠𝑖𝑛2(𝛽 + Ø)
𝑠𝑖𝑛2(𝛽)sin (𝛽 − 𝛿) [1 + √
𝑠𝑖𝑛(∅ + 𝛿)sin (𝜃 − 𝛼)𝑠𝑖𝑛(𝛽 − 𝛿)sin (𝛼 + 𝛽)
]
(8.)
Siendo,
𝛽: La inclinación del muro con respecto a la horizontal
𝛿: Ángulo de fricción entre muro y suelo
ф: Ángulo de fricción del suelo
𝛼 ∶ Inclinación del relleno con respecto a la horizontal
Figura 25. Empuje Activo de Coulomb.
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
51
Siendo:
∅ = 𝑡𝑎𝑛−1𝑘ℎ
(1 − 𝑘𝑣)
(9.)
β: la inclinación del muro con respecto a la horizontal
δ: ángulo de fricción entre muro y suelo
ф: ángulo de fricción del suelo
α: inclinación del relleno con respecto a la horizontal
kh: aceleración horizontal (% gravedad)
kv : aceleración vertical (% gravedad)
Usando los mismos valores antes citados, Kh=0.40 y kv=0 da como resultado
Kae=0.70 y Pae=5545kg/metro.
Calculando el aporte sísmico por separado, ΔPae, resulta igual a:
∆𝑃𝑎𝑒 = 𝑃𝑎𝑒 − 𝑃𝑎 = 5545 − 2641 =2904𝑘𝑔
𝑚
(10.)
Para calcular el momento en la base del muro se considera que ΔPae se aplica a
0.60H de la base dando como resultado un momento igual a:
𝑀 = 𝑃𝑎 (𝐻
3) + ∆𝑃𝑎𝑒(0,60𝐻) = 2640.6 (
325
3) + 2904(0.60 ∗ 3.25)
(11.)
𝑀 = 8523𝑘𝑔 − 𝑚
Por ser un momento flector producido en un evento extremo, se considera un factor
de mayoración igual a 1.0.
4.14.5 DISEÑO ESTRUCTURAL DEL MURO DE SÓTANO
Para el diseño del muro de sótano, se utilizó el máximo momento obtenido del
análisis, en este caso.
𝑀𝑢 = 8523𝑘𝑔 − 𝑚
52
Considerando 𝑏 = 100𝑐𝑚 ,𝑑 = 25𝑐𝑚, f´c=350kg/cm2, la cantidad de acero
necesario para resistir el momento será igual a:
𝐴𝑠 = 9.26 𝑐𝑚2
Lo que es equivalente a colocar varillas ф12 cada 12 cm.
Para el refuerzo horizontal del muro, se consideró un momento igual a la mitad de
momento vertical, ósea 𝑀𝑢 = 4262 𝑘𝑔 − 𝑚/𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜. Se considera que este momento
se produce en el sector de las columnas, debido a su rigidez a flexión. La cantidad de
acero necesaria para resistir este momento es igual a:
𝐴𝑠 = 4.27 𝑐𝑚2
Lo que es equivalente a colocar varillas ф12 cada 20 cm.
1.15 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO.
El edificio Sky Building está ubicado a la salida del Aeropuerto José Joaquín de
Olmedo de la ciudad de Guayaquil. Este edificio cuenta con un sótano, planta baja,
11 pisos altos y terraza. El área de implantación del proyecto es rectangular y sus
dimensiones aproximadas son de 105 x 30 metros. Cada piso tiene un área útil
aproximada de 2500 m2.
Figura 26. Implantación en planta.
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
53
La configuración estructural del edificio está dada por pórticos tridimensionales
compuestos por columnas rectangulares y vigas peraltadas las cuales en algunos
casos se consideraron acarteladas para permitir el paso de las instalaciones
sanitarias, eléctricas, aire acondicionado, etc.
Figura 27. Elevación.
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
El sistema de losas considerado es de nervios prefabricados de 25 o 27 cm de
altura con una separación máxima de 72cms entre ellos. Para los pisos destinados
para parqueos se utilizará la losa de 27 cm de alto (7 cm de capa de compresión) y
para los pisos destinados a oficinas o terraza se utilizará la losa de 25 cm de alto
(5cms de capa de compresión).
Figura 28. Tipo de losas
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
54
El edificio cuenta con protección sísmica por medio de aisladores de base ubicados
en su mayoría sobre las columnas de sótano (bajo la losa de planta baja) y en menor
cantidad bajo las columnas que rodean los ascensores. Los aisladores de base son
de caucho con núcleo de plomo.
Figura 29. Ubicación de aisladores
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
Figura 30. Aislador de caucho con núcleo de plomo
FUENTE: Informe Geotécnico IDEM, Ing. Alfredo Silva.
55
1.16 Cargas Consideradas.
Las cargas que actúan sobre el edificio han sido agrupadas en 3 categorías:
Cargas Muertas, Cargas Vivas y Cargas Sísmicas.
1.16.1 Cargas Muertas:
Son todas aquellas que se consideran constantes en el tiempo y en el espacio. En
esta categoría se encuentran el peso propio de los elementos estructurales (losas,
vigas, columnas, muros, etc.), el peso del sobrepiso, instalaciones, paredes, etc.
Para el cálculo del peso propio de los materiales se ha considerado:
Peso Específico del Concreto 𝛾𝑐 = 2400 𝑘𝑔/𝑚3
Peso Específico del Acero 𝛾𝑠 = 7850 𝑘𝑔/𝑚3
1.16.2 Cargas Vivas o de Uso:
Son todas aquellas que no se presentan durante toda la vida útil de la estructura
por lo que su magnitud y ubicación se consideran variables. Se las define según el
uso de la estructura y están especificadas en el Código ASCE7-05
Para este proyecto se han considerado 3 tipos de carga viva, las cuales se dan a
conocer en el numeral 4.9.
1.16.3 Cargas Sísmicas:
Son las cargas inerciales producidas por los terremotos y dependen sobretodo del
periodo natural de la estructura, la masa y la rigidez del edificio. Estas cargas se
aplican por medio de los Espectros de Respuesta. Los Espectros de Respuesta
Elásticos están definidos en los códigos y dependen mayormente de la zonificación
sísmica y del tipo de suelo.
56
Para el diseño de este edificio se usó la Norma Ecuatoriana de la Construcción
(NEC-11) para la cual se define el factor de zonificación (Z) y el tipo de suelo. A partir
de estos datos se necesitan los coeficientes de amplificación dinámica (Fa, Fd, y Fs),
el valor de r dependiendo del tipo de suelo, y el valor de η dependiendo de la región
geográfica del lugar en estudio.
Figura 31. Espectro Elástico
FUENTE: NEC-15
Los parámetros utilizados para este proyecto fueron los siguientes:
Factor de Zona (Z) = 0.40
Zona Sísmica = V
Tipo de Suelo = E
Fa = 1.15 To = 0.264sg r = 1.50 (tipo de suelo D y E)
Fd = 1.60 Tc = 1.454sg
Fs = 1.90 n = 1.80 (provincias de la costa, excepto Esmeraldas)
57
Figura 32. Espectro de Respuesta Elástico, Ciudad de Guayaquil, Suelo tipo E.
FUENTE: NEC-15
1.17 Combinación de Cargas.
Las cargas indicadas en el numeral anterior se combinan de tal manera que
generan distintos escenarios a los cuales puedan estar sometidos los elementos
estructurales del edificio. A esta combinación se incluyen factores de mayoración a
cada tipo de carga según el grado de precisión con el cual normalmente se pueden
calcular y por las variaciones esperadas para dicha carga a lo largo de la vida útil de
la estructura. Estas combinaciones están especificadas en el numeral 9.2.1 del
Código ACI 318S-11 en el caso de estructuras de concreto reforzado. Dichas
combinaciones se muestran a continuación:
U = 1.4 D (9-1)
U = 1.2D + 1.6L (9-2)
U = 1.2D + 1.0E + 1.0L (9-5)
U = 0.9D + 1.0 E (9-7)
Donde D es la carga muerta, L la carga Viva, y E la carga sísmica.
58
Para el diseño de las columnas del edificio se consideró solamente el 50% de la
carga viva debido a la poca probabilidad que se encuentre presente simultáneamente
la carga en todos los pisos. Este tipo de reducción en la carga viva es aceptado tanto
en el Código ACI 318S-11 (9.2.1.a) como en el ASCE7-05 (4.8).
1.18 Análisis Estructural.
El análisis estructural del Edificio Sky Building se lo realizó por medio del programa
Etabs v9.7.4. Todos los elementos modelados fueron considerados de concreto. Las
vigas principales, secundarias, vigas de remate y columnas fueron modeladas con
elementos tipo “Frame”. Los nervios de las losas no fueron modelados, pero el efecto
del peso de los mismos se los incluyó en el peso de las losas. Las losas y rampas
fueron modelados con elementos tipo “Shell-membrane” en una sola dirección.
Figura 33. Vista en Planta del modelo estructural en Etabs.
Elaboración: Deyvis Joan Sánchez
59
Figura 34. Vista en Elevación del modelo estructural en Etabs.
Elaboración: Deyvis Joan Sánchez
El programa Etabs v9.7.4 considera automáticamente el peso de todos los
elementos modelados. Las cargas adicionales al peso propio fueron aplicadas a las
losas (porcentaje de paredes, sobrepiso, instalaciones y carga viva) y en las vigas
(porcentaje de paredes). Un porcentaje del peso de las paredes fue aplicado en las
losas y el resto en las vigas principales. A continuación, se muestra un cuadro
especificando las cargas aplicadas en cada piso.
Tabla 10. Cargas Gravitacionales aplicadas al modelo estructural.
PISO CARGA MUERTA SOBRE LOSAS
(kg/m2)
CARGA VIVA SOBRE LOSAS
(kg/m2)
CARGA DE PARED SOBRE VIGAS PRINCIPALES
(kg/m)
PB – 3ero 150 300 100
4 to – 11vo 230 200 300
Terraza 100 100 100 Elaboración: Deyvis Joan Sánchez
El efecto sísmico fue considerado por medio de la aplicación del espectro elástico
de respuesta explicado anteriormente.
60
Figura 35. Datos de entrada del programa Etabs para Espectro de Respuesta.
Elaboración: Deyvis Joan Sánchez
De acuerdo con la norma, se debe aplicar el 100% de la fuerza sísmica en la
dirección del análisis y el 30% de la fuerza sísmica en la dirección perpendicular, para
considerar que el movimiento sísmico puede ocurrir en un eje distinto a los
ortogonales considerados en el análisis. A continuación, se muestra el ingreso de los
efectos sísmicos en las dos direcciones por medio de los estados de carga Ex y Ey.
Figura 36. Asignación de cargas sísmicas del programa SAP2000 para sismo en dirección X y
dirección Y. Elaboración: Deyvis Joan Sánchez
61
El efecto de la aislación sísmica fue considerado por medio de elemento “link”. Se
consideró 3 tipos de elementos “link” (Tipo A, Tipo B y Tipo C) cada uno
representando a los 3 tipos de aisladores diseñados para este proyecto.
Figura 37. Definición de elementos tipo “link” para modelo de aisladores de base.
Elaboración: Deyvis Joan Sánchez
Las características de los aisladores y su ubicación fueron definidas de tal manera
que resistan las cargas gravitacionales del edificio, aumenten el periodo de la
estructura y produzca un amortiguamiento del 20% aproximadamente. Como
resultado se obtuvo las siguientes propiedades para cada tipo de aislador:
62
Figura 38. Características del Aislador Tipo A.
FUENTE: Mageba S.A.
Figura 39. Características del Aislador Tipo B.
FUENTE: Mageba S.A.
63
Figura 40. Características del Aislador Tipo C.
FUENTE: Mageba S.A.
En el análisis estructural se incluyó, mediante los elementos “link”, las
características de rigidez y amortiguación para los 3 tipos de aisladores. La
amortiguación proporcionada por los elementos estructurales sobre el sistema de
aislación (ξ=5%) es considerada automáticamente por el programa.
1.19 Diseño del Sistema de Aislación.
Para el diseño definitivo del sistema de aislación, se realizaron 8 análisis tiempo-
historia de registros con similares mecanismos de falla y tipos de suelo. Los registros
considerados en el análisis fueron:
• CDAF8509N00E (México 1985)
• CDAF8509N90E (México 1985)
• ELCENTRO (Imperial Valley 1940)
64
• SCT (México 1985)
• TM-EW (Guayaquil 1994)
• TM-NS (Guayaquil 1994)
• TXSO8509N00E (México 1985)
• TXSO8509N90W (México 1985)
Debido a que el espectro de la norma considera el 5% de amortiguamiento y los
aisladores de base son capaces de proporcionar amortiguamiento de un 17.5%, el
espectro de la norma fue reducido por un factor de 2 como lo recomiendan los
estudios realizados por Newmark & Hall (1973).
Figura 41. Espectro Elástico NEC-11 para 5% y 17.5% de amortiguación
ELABORADO POR: Deyvis Joan Sánchez
Los 8 registros considerados fueron escalados de tal manera que produzcan la
aceleración espectral especificada en el espectro elástico de la Norma Ecuatoriana
de la Construcción (NEC-11) para el periodo fundamental de la estructura, T=2.80 seg
y amortiguamiento crítico correspondiente al proporcionado por el sistema de
aislación.
65
De esta manera se obtuvieron los espectros elásticos de los registros para un
amortiguamiento del 17.5%. En la siguiente gráfica se muestran los espectros
elásticos de los 8 registros junto con el de la NEC-11. Puede notarse que para un
periodo igual a 2.80seg las aceleraciones espectrales son las mismas. En el recuadro
se muestran además los factores de escala para cada uno de los registros.
Figura 42. Espectro elástico NEC-11 y registros tiempo-historia para 17.5% de amortiguación
ELABORADO POR: Deyvis Joan Sánchez
También se obtuvo el espectro de desplazamientos de los 8 registros. La gráfica
muestra que el desplazamiento promedio de la estructura (aislador + edificio) sería
de 250 mm.
Figura 43. Espectro de Desplazamiento NEC-11 y registros tiempo-historia para 17.5% de
amortiguación ELABORADO POR: Deyvis Joan Sánchez
66
Los registros escalados fueron ingresados en el modelo estructural para obtener
así los valores de los desplazamientos máximos del aislador y de la estructura sobre
el aislador. Los resultados se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 11. Desplazamientos Máximos de los aisladores y del edificio.
ELABORADO POR: Deyvis Joan Sánchez
De la tabla podemos observar que el promedio de desplazamiento del aislador es
de 220 mm y del edificio 206 mm. Considerando que el edificio tiene unos 45 metros
de altura, su deriva de entrepiso promedio sería de 0.458%.
67
CAPITULO V
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones
Los estudios de suelo son una herramienta útil y practica para
determinar la capacidad de soporte del mismo. Además de obtener la
capacidad de soporte, el ensayo permite obtener muestras de suelos para
así poder clasificar el tipo de suelo según la Norma Ecuatoriana de la
Construcción 2015 (NEC-2015).
Al utilizar sistemas de disipación de energía en base, en el edificio se
obtuvieron mayores períodos y por ende menores aceleraciones,
reduciendo las fuerzas sísmicas y contribuyendo a un buen desempeño
sísmico de la estructura.
Para el diseño definitivo del sistema de aislación, se realizaron 8
análisis tiempo-historia de registros con similares mecanismos de falla y
tipos de suelo, dando así más seguridad al diseño definitivo del sistema de
aislación.
Se realizó un Análisis de Precios Unitarios sobre el costo de este
sistema de aislación, con la finalidad de llegar a la conclusión, de que a la
hora de construir un edificio con aislador en base también reduce las
secciones de la estructura, y por ende a la hora de un evento natural los
gastos de reconstrucción serán mucho menores al de un edifico sin aislación
sísmica.
68
5.2 Recomendaciones.
Se deberá garantizar el proceso de montaje de los dispositivos
cumpliendo con las especificaciones técnicas y manipulación de los
equipos, garantizando la adecuada supervisión y control delos mismos
Se necesita dotar de nuevas medidas de protección sísmica como
se indica en este trabajo de investigación, los disipadores de energía
permiten un buen desempeño ante un sismo, protegiendo la estructura y
salvaguardando vidas humanas.
Normalmente los dispositivos son diseñados para una vida útil
mínima de 50 años. Por esta razón se recomienda remover y cambiar los
dispositivos sin interrumpir el funcionamiento del edificio.
Se recomienda en lo posible ejecutar pruebas P.D.A. (PILE
DYNAMICS ANALYZER) en cualquiera de los pilotes que se seleccione, en
un numero de 6 mínimo, con el objetivo de verificar la capacidad ultima de
ellos, la relación carga-asentamiento, y el comportamiento geotécnico
general de los mismos.
Se debe realizar un análisis de factibilidad económica al construir
un edificio con aisladores sísmicos en base, considerando investigaciones
geológicas, riesgos símicos, etc.
BIBLIOGRAFIA
NEC. (2015). QUITO: Dirección de Comunicación Social, MIDUVI.
(2002). Estructuras con aislamiento de base. En H. Akiyama, Metodologia de proyecto sismoresistente
de edificio basada en el balance energetico (págs. 124-132). Barcelona: Reverté, S.A.
ASOCIADOS, J. J. (2014). Reforzamiento edificio B & R. Sto. Domingo, Republica Dominicana.
Castro, M. R.-D. (2008). EDIFICACIONES CON DISIPADORES DE ENERGIA. Peru.
Corporacion de Desarrollo Tecnologico, C. (Noviembre de 2011). Proteccion Sismica de Estructuras.
Sistemas de Aislacion Sismica y Disipacion de Energia. Santiago de Chile, Chile.
(2008). . En M. R. Dr. Genner Villarreal Castro, EDIFICACIONES CON DISIPADORES DE ENERGIA (págs.
29-30). Peru.
Fernández, A. (2013). EDEFER. PATOLOGIA CONSTRUCTIVA. Sevilla, España.
INDUSTRIALE, F. (1992). Aisladoeres Elastomericos de Caucho y Plomo. Aisladoeres Elastomericos de
Caucho y Plomo. Selvazzano Dentro, Padova, Italia.
Kirikov, B. A. (1992). En B. A. Kirikov, history of earthquake resistant construction from antiquity to
our times (págs. 55-58). Madrid: Acor, Artes Graficas, S.A.
RE, M. (s.f.). Recuperado el 24 de Julio de 2017, de
https://www.mapfrere.com/reaseguro/es/images/Prontuario-Suelos-
Cimentaciones_tcm636-81027.pdf
Reixach, F. M. (2003). Eleccion del sistema de contencion. En F. M. Reixach, La obra gruesa (págs. 95-
97). Catalunya: Ediciones de la Universitat POlitecnica de Catalunya, SL.
Roberto Aguiar, F. V. (2014). ANALISIS SISMICO DE UNA ESTRUCTURA CON AISLADORES FPS DE
PRIMERA GENERACION Y SEGUNDA GENERACION Y ELASTOMERICOS CON NUCLEO DE
PLOMO. Revista Internacional de Ingenieria de Estructuras, 55-58.
ANEXOS
Colocación de Aisladores Sísmicos
Colocación de Encofrado y puntales para fundición de columnas 0,65x1,20m donde asientan los Aisladores Sísmicos, Sótano-PB - F´C = 600kg/cm2
Colocación de Encofrado y puntales para fundición de columnas 0,65x1,20m donde asientan los Aisladores Sísmicos, Sótano-PB - F´C = 600kg/cm2
- 2 -
Colocación de Placa de Anclaje donde asienta el Aislador Sísmico.
Colocación de Placa de Anclaje donde asienta el Aislador Sísmico.
Colocación de Placa de Anclaje donde asienta el Aislador Sísmico.
Instalación de Aislador Sísmico
AUTOR(ES):
REVISOR(ES)/TUTOR(ES):
INSTITUCION :
UNIDAD/FACULTAD :
MAESTRIA/ESPECIALIDAD :
GRADO OBTENIDO :
FECHA DE PUBLICACION : 2018
ÀREAS TEMÀTICAS :
PALABRAS CLAVES
/KEYWORKDS:
ADJUNTO PDF :
CONTACTO CON AUTOR/ES:
Email:
Nombre:
Telefono:
Email :
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGIA
FICHA DE REGISTRO DE TESIS / TRABAJO DE GRADUACIÒN
ING MÓNICA MITE LEÓN, M.Sc
ING MARCELO MELENDEZ MANZANO, M.Sc.
Universidad de Guayaquil
METODOLOGÍA DE CONSTRUCCIÓN PARA LA INSTALACIÓN DE AISLADORES SÍSMICOS EN UN
EDIFICIO DE 12 PISOS.TITULO Y SUBTITULO :
SÁNCHEZ AVILÉS DEYVIS JOAN
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
ESCUELA DE INGENERIA CIVIL
GENERALES DE INGENERIA
CONTACTO CON LA
INSTITUCIÒN :
FACULTAD DE CIENCIA MATEMATICAS Y FISICAS
2-283348
Facultad De Ciencias Matemáticas y físicas
NUMERO DE PAGINAS
METODOLOGÍA Y PROCESO DE INSTALACIÓN DE AISLADORES SÍSMICOS.
AISLADORES EN EDIFICIOS - INSTALACIÓN DE DISIPADORES - DESLIZADORE SÍSMICOS.
RESUMEN /ABSTRACT (150-250 ) PALABRAS :
Ecuador se encuentra ubicado en una zona sísmicamente activa como es el cinturón de fuego del Pacífico lo
que ocasiona una intensa actividad sísmica en el país. Estos movimientos telúricos son inevitables e
impredecibles, el país no se encuentra preparado para este tipo de eventos como ocurrió el pasado 16 de
abril donde se evidenció un número significativo de pérdidas humanas y la destrucción de infraestructuras
civiles, razón por la cual se deben tomar medidas para la aplicación de normas y procesos constructivos,
aquí la importancia de los aisladores sísmicos y su incidencia dentro de la construcción en edificios para
preservar vidas humanas y evitar daños en la infraestructura de las construcciones.
Se realizará el análisis y el proceso de instalación de los aisladores sísmicos, tomando en consideración los
estudios de suelos donde se implantara el proyecto, análisis de los modelos matemáticos efectuados para
un edificio de 12 niveles, análisis del diseño estructural para verificar el tipo de aislador a implementar,
tipo de cimentación y proceso para la instalación de los amortiguadores en las columnas principales de la
estructura y a su vez la implementación de los deslizadores sísmicos al contorno de la estructura por medio
de un muro perimetral que permitirá el movimiento de estructura de hormigón armado en caso de un
sismo.
X SI NO
Telefono
:0984938101 [email protected]
84
ANEXO 10