proyecto estructural

INSTITUTO

POLITECNICO

NACIONAL.CHAVARRÍA GOÑI JOSÉ GUILLERMO

SERRANO CAMARENA MIGUEL CÉSAR

2014DISEÑO DE EDIFICIO, AULAS Y CUBICULOS

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL.ESCUELA SUPERIOR DE ARQUITECTURA E INGENIERIA.

ACADEMIA DE ESTRUCTURAS

ÍndiceINTRODUCCION............................................................................................................................................................3

UBICACIÓN....................................................................................................................................................................3

GENERALIDADES...........................................................................................................................................................4

.- GEOMETRÍA DE LA ESTRUCTURA...........................................................................................................................4

MEMORIA DESCRIPTIVA...............................................................................................................................................9

MATERIALES EMPLEADOS...........................................................................................................................................10

ACCIONES Y COMBINACIONES DE CARGAS.................................................................................................................10

CARGAS CONSIDERADAS........................................................................................................................................10

PESO PROPIO (PP)...................................................................................................................................................10

CARGA VIVA (CV)....................................................................................................................................................10

CARGA MUERTA (CM).............................................................................................................................................11

CARGA ACCIDENTAL DE SISMO (Sx & Sy)................................................................................................................12

ESTRUCTURACIÓN......................................................................................................................................................15

MODELACIÓN DE LA ESTRUCTURA.............................................................................................................................18

ANALISIS SISMICO MODAL ESPECTRAL.......................................................................................................................19

TIPOS DE CARGAS.......................................................................................................................................................22

COMBINACIONES DE CARGAS CONSIDERADAS......................................................................................................22

DISEÑO DEL SISTEMA DE PISO....................................................................................................................................23

DISEÑO DE TRABES SECUNDARIAS Y SUS CONEXIONES..............................................................................................25

TRABES SECUNDARIAS DE AZOTEA.........................................................................................................................25

TRABES SECUNDARIAS DE ENTREPISO....................................................................................................................32

DISEÑO DE TRABES PRINCIPALES Y SUS CONEXIONES................................................................................................39

TRABES PRINCIPALES DE ENTREPISO......................................................................................................................39

DISEÑO DE COLUMNAS...............................................................................................................................................48

COLUMNAS DE PLANTA BAJA.................................................................................................................................48

PROPUESTA DE CIMENTACIÓN...................................................................................................................................54

GEOMETRÍA............................................................................................................................................................54

TIPO DE CIMENTACIÓN Y ESTRUCTURACIÓN.........................................................................................................54

PROFUNDIDAD DE DESPLANTE...............................................................................................................................54

PREDIMENSIONAMIENTO DE LAS CONTRATRABES...............................................................................................54

PREDIMENSIONAMIENTO DE COLUMNAS..............................................................................................................54

PREDIMENSIONAMIENTO DE LOSA TAPA...............................................................................................................55

PREDIMENSIONAMIENTO DE LOSA FONDO...........................................................................................................55



INTRODUCCION.

De acuerdo a la solicitud girada por el Ing. Julio García Carbajal, los alumnos M. César Serrano Camarena y José Guillermo Chavarría Goñi deberán realizar el proyecto estructural del Edificio de Aulas y Cubículos que pertenece a la Universidad Autónoma de la Ciudad de México (UACM) que ocupa una superficie de 1829.62 m², las dimensiones en general del edificio son, 80.60 m de largo, 22.70 m de ancho con una altura de 14.50 m, la estructura estará constituida a base de marcos rígidos de acero cuyo sistema de piso será losacero.El presente documento trata del proyecto estructural del Edificio de Aulas y Cubiculos de la UACM.

UBICACIÓNLa Universidad Autónoma de la Ciudad de México se localiza en Calle Prolongación San Isidro No. 151, Col. San Lorenzo Tezonco, C.P. 09790.

1 Imagen tomada por medio de google earth

5.70

5.60

5.60

5.60

5.60

28.1

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21

12

PROYECCION ENTREPISO

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3.25

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1.87

1.11

PROYECCION ENTREPISO

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K-1



GENERALIDADESMUNICIPIO DE PATZCUARO

.- GEOMETRÍA DE LA ESTRUCTURALas siguientes figuras muestran la estructura construida en base a los planos arquitectónicos.



MEMORIA DESCRIPTIVA

La estructura se compone de cuatro niveles para el alumnado y profesorado de la Universidad, así mismo estarán constituidos a base de marcos rígidos de acero, las columnas y trabes son secciones rectangulares regulares de acero. El sistema de techo es losacero de 8 cm de espesor.

El edificio presenta una forma geométrica irregular en planta. La subestructura será un cajón de cimentación que estará destinado para alojar la cisterna con la capacidad de agua necesaria para satisfacer las necesidades de consumo diario en la Universidad.

La planta baja cuenta con áreas destinadas para cubículos de profesores así como para alumnos, sanitarios para hombres, mujeres y discapacitados, cuenta también con 8 aulas por nivel, cada nivel del Edificio cuenta con Auditorio.

La altura de los pisos terminados al lecho bajo de las trabes principales en todos los niveles es de 3.00 m. Los acabados en pisos serán a base de loseta cerámica asentada sobre mortero. Su superficie es de 435.96 km2 y representa el 0.74 por ciento del total del Estado.

CONSIDERACIONES GENERALESPara poder diseñar la estructura, es preciso conocer los elementos mecánicos a que estarán sometidos, todos y cada uno de los elementos estructurales que la constituyen.

Dichos elementos mecánicos, los conoceremos analizando la estructura, bajo condiciones de carga que puedan presentarse.

Por tanto, el primer paso a seguir, será la estructuración de plantas arquitectónicas, localizando la situación más adecuada de columnas, trabes principales y secundarias. Definiendo como trabes principales a todos aquellos elementos que descansan sobre columnas. Las secundarias son las que descansan o no sobre columnas, pero que sean perpendiculares y que descansen sobre las trabes principales.

En esta estructuración se deberá procurar, que las trabes se liguen con las columnas, formando marcos rígidos capaces de soportar tanto cargas verticales como cargas horizontales.

Se proporcionará contraventeo de ductilidad normal a la estructura con tal de conservar un comportamiento adecuado, proporcionando rigidez a la estructura ya que ésta se construirá sobre suelo blando.



DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL PROYECTO1.- La estructura está formada por trabes y columnas de acero estructural A-36 formando marcos rígidos en dos direcciones ortogonales.

2.- Para los apoyos se considera que las columnas perimetrales de la planta baja están empotradas a la cimentación y las columnas interiores se encuentran articuladas.

3.- El edificio cuenta con 3 pisos.

4.- Según el estudio de mecánica de suelos, por la ubicación de la construcción, el edificio está situado en zona de lago (Zona II), según mapa de zonificación geotécnica de la Ciudad de México NTC-SISMO

MATERIALES EMPLEADOSLos materiales empleados para la conformación de cada uno de los elementos estructurales se definen en la siguiente tabla:

Material Resistencia

Acero estructural ASTM-A36

fy= 2530 kg/cm² E= 2,040,000 kg/cm²

Concreto 1 f’c= 300 kg/cm²

Clase 1

E= 190, 525.6 kg/cm²

Concreto 2 f’c= 250 kg/cm²

Clase 1

E= 173, 925.3 kg/cm²

Elemento Material

Columnas y trabes

Acero estructural A-36

Losacero Concreto 2

Cimentación Concreto 1



ACCIONES Y COMBINACIONES DE CARGASCARGAS CONSIDERADASSe consideraron las siguientes acciones.

PESO PROPIO (PP)El peso propio de los elementos principales se toma directamente en el programa de análisis estructural.

CARGA VIVA (CV)Las cargas vivas consideradas en el diseño se tabulan a continuación:

CARGA VIVA DE ENTREPISO (kg/m²)

C. GRAVITACIONAL (Máxima)

C. SISMO (Instantánea)

C. ASENTAMIENTO (Media)

250 180 100

CARGA VIVA DE AZOTEA (kg/cm²)

100 70 15

CARGA VIVA DE ESCALERAS (kg/cm²)

350 150 40

Lo anterior se sustenta en lo especificado en las “NORMAS TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS SOBRE CRITERIOS Y ACCIONES PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL DE LAS EDIFICACIONES1”.

CARGA MUERTA (CM)

CARGAS MUERTAS CONSIDERADAS DE ENTREPISO (kg/m²)

Sistema de piso. Losacero de 6 cm sobre la cresta.

290

Sobrecarga RCDF 40

Loseta 20

Carga equivalente en muros 150

TOTAL 500

1 Tabla 6.1 Cargas vivas unitarias



CARGAS MUERTAS CONSIDERADAS DE AZOTEA (kg/m²)

Sistema de piso. Losacero de 6 cm sobre la cresta.

210

Sobrecarga RCDF 40

Impermeabilizante 10

Carga equivalente de instalaciones especiales. 100

TOTAL 360



CARGA ACCIDENTAL DE SISMO (Sx & Sy)

Los parámetros para el diseño sísmico fueron tomados de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo del RCDF 2004.

2 Ubicación y determinación de la zona sísmica para el edificio de la UACM



De acuerdo con el inciso 6.1 de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo del RCDF-2004, la estructura se definió como irregular, se adoptó un valor de 0.9 para reducir el factor de comportamiento sísmico. De acuerdo con el inciso 5.1 de la misma Norma, el factor de comportamiento para ambas direcciones se definió en Q = 3.0



.- ANÁLISIS ESTRUCTURAL

Para el análisis estructural se utilizó un modelo tridimensional del edificio de Aulas y Cubículos de la UACM, en el cual se incluyeron todos los elementos principales de la estructura. En las siguientes figuras se muestra el modelo estructural utilizado en el análisis.

3 Modelo tridimencional (marcos de acero)

4 Modelo estructural (isométrico)



ESTRUCTURACIÓNPREDIMENSIONAMIENTO DE TRABES PRINCIPALES

Claro más largo: 13.00 m

h= L30

=130030

=43cm

Se considera una sección IR 406X148.90 (W 16x100) de sección constante.



PREDIMENSIONAMIENTO DE TRABES SECUNDARIAS

Claro más largo: 10.00 m

h= L30

=100030

=30cm

Se considera una sección IR 305X178.8 (W 12X120) de sección constante.



PREDIMENSIONAMIENTO DE COLUMNAS

klr

<200

k: 0.5

l: 300 cm

Considerando una sección W 12X45 de sección constante.

r: 13.40 cm

0.5 (300 )13.40

=11.27<200OK



MODELACIÓN DE LA ESTRUCTURA

5 Numeración de nodos

6 Numeración de miembros



7 Asignación de secciones y materiales al modelo

ANALISIS SISMICO MODAL ESPECTRAL

El método modal espectral toma en cuenta las propiedades dinámicas de la estructura, tales como su forma de vibrar y la contribución de cada modo en la respuesta.

Esto con la finalidad de reproducir con mayor aproximación el comportamiento estructural real ante acciones sísmicas. Este análisis sísmico se utiliza cuando la importancia de la estructura lo amerita (por ejemplo en estructuras del grupo A o si no se cumplen las condiciones de los métodos simplificado y estático).



Obtención de espectro de diseño

8 Ubicación por medio de PRODISIS/CFE

0 0.1403 1 0.2718 2 0.19220.1 0.3509 1.1 0.2591 2.1 0.18240.2 0.3509 1.2 0.2481 2.2 0.17260.3 0.3509 1.3 0.2384 2.3 0.1630.4 0.3509 1.4 0.2297 2.4 0.15380.5 0.3509 1.5 0.2219 2.5 0.14510.6 0.3509 1.6 0.2149 2.6 0.13690.7 0.3248 1.7 0.2084 2.7 0.12920.8 0.3039 1.8 0.2026 2.8 0.12210.9 0.2865 1.9 0.1972 2.9 0.1154

3 0.1091

Espectro de diseño en roca

9 Espectro de diseño



Una vez agregado el espectro de diseño al modelo, se presenta el diagrama de desplazamientos en los casos de sismo en X y Z de la estructura.

10 Desplazamientos en la dirección "X"

11 Desplazamientos en dirección "Z"



TIPOS DE CARGASUna vez que se definieron las cargas a las que la estructura va a estar sometida, a continuación se definirán las combinaciones de carga, el diseño de los elementos estructurales se deberá realizar para la combinación de las diferentes acciones a la que estará sometida la estructura.

Las acciones que se toman en cuenta son aquellas que tienen una probabilidad de acción simultánea considerable de ocurrencia. Para estas combinaciones se tiene principalmente dos categorías:

- Combinaciones que incluyan cargas permanentes y acciones variables. - Combinaciones que incluyan acciones permanentes, variables y accidentales.

Como lo marcan las Normas Técnicas Complementarias del Reglamente de Construcciones para el Distrito Federal de Criterios y Acciones para el Diseño Estructural de las Edificaciones, para el tipo de combinación que se esté empleando, cada acción se debe afectar por un factor de carga.

Se han considerado las siguientes acciones que estarán presentes sobre la estructura, estas deben tomarse en cuenta para el diseño de los elementos que conformarán la estructura y son las siguientes:

1.- Peso propio 2.- Carga muerta 3.- Carga viva máxima 4.- Carga viva instantánea 5.- Carga viva media 6.- Sismo en dirección X 7.- Sismo en dirección Y 8.- Presión del suelo sobre la cimentación.

COMBINACIONES DE CARGAS CONSIDERADAS

Se consideraron 14 combinaciones de carga.

Las 3 condiciones de cargas estáticas utilizadas son:

PP: Peso propio de elementos estructurales.CM: Carga Muerta.CV: Carga Viva.

En el caso del análisis dinámico se consideraron dos condiciones de carga:

Sx: Sismo en dirección XSy: Sismo en dirección Y

Las combinaciones de diseño consideradas fueron las definidas en la siguiente tabla de multiplicadores de carga:



TABLA DE MULTIPLICADORES DE CARGA# DE

COMB.PP CM CV Sx Sy COMENTARIOS

1 1.5 1.5 1.5 Gravitacional2 1.1 1.1 1.1 1.1

Sismo X3 1.1 1.1 1.1 1.1 0.334 1.1 1.1 1.1 1.1 -0.335 1.1 1.1 1.1 -1.1 0.336 1.1 1.1 1.1 -1.1 -0.337 1.1 1.1 1.1 1.1

Sismo Y8 1.1 1.1 1.1 0.33 1.19 1.1 1.1 1.1 -0.33 1.110 1.1 1.1 1.1 0.33 -1.111 1.1 1.1 1.1 -0.33 -1.112 1 1 1 1 1 Envolvente

13 1 1 1 Asentamientos y Flechas

DISEÑO DEL SISTEMA DE PISO

El sistema de piso será a base de losacero. El manual IMSA especifica que para una carga uniformemente distribuida de 210 kg/m2 y una distancia entre apoyos de 3.20 m, el Calibre recomendado es 22 y la capa de compresión de concreto es de 8 cm por encima de la cresta de la lámina.



12 Nervadura para la lámina, tiene 6.35cm de altura

Para el refuerzo de la losa, las NTC-Metálicas en la sección 3.6.7.2 b) indican que se debe dar un refuerzo mínimo de 0.002 veces el área de concreto sobre la lámina.

13 Se usará malla electro soldada H 6X6 - 0.4X0.4 marca SICARTSA para refuerzo en todos los niveles.



DISEÑO DE TRABES SECUNDARIAS Y SUS CONEXIONES

Se realizó el diseño de las vigas secundarias conforme a las NTC-Metálicas. Se diseñaron las vigas con los elementos mecánicos más desfavorables por nivel, que se presentaron con la combinación de cargas últimas gravitacionales.

TRABES SECUNDARIAS DE AZOTEA

Datos del análisis

15 Cortante último de diseño, condición de carga L/C 7.

14 Trabe secundaria de azotea



16 Momento último de diseño, condicion de carga L/C 7.

17 Esfuerzo por flexión, condición de carga L/C



TRABES SECUNDARIAS DE ENTREPISO

18 Cortante último de diseño, L/C 7

19 Momento último de diseño, L/C 7

20 Esfuerzo por flexión, L/C 7



DISEÑO DE TRABES PRINCIPALES Y SUS CONEXIONES

Se realizó el diseño de las vigas secundarias conforme a las NTC-Metálicas. Se diseñaron las vigas con los elementos mecánicos más desfavorables por nivel, que se presentaron con la combinación de cargas últimas gravitacionales.

TRABES PRINCIPALES DE ENTREPISOSe realizó el diseño de las trabes principales conforme a las NTC-Metálicas. Se diseñaron las trabes con los elementos mecánicos más desfavorables por nivel, que se presentaron con la combinación de cargas últimas gravitacionales. El diseño para esta trabe quedará regido para todas las trabes principales.

Datos del análisis.

21 Cargas sobre trabe principal

22 Momentos máximos sobre la trabe



DISEÑO DE TRABE PRINCIPALDatos:

Momento último: Md 34.44 ton m:=

Cortante último: Vd 11.84ton:=

Longitud libre: L 6.5m:=

Acero A-36

Fy 2530kg

cm2

:=

Perfil propuesto

W21x62

U

V

B sic geometry of the section Parameter Value

A Sectional area 118.035 cm2

Angle of principal inertia axes -0.0 deg

Iy Inertia moment about centroidal Y1-axis parallel with Y-axis

55358.78 cm4

Iz Inertia moment about centroidal Z1-axis parallel with Z-axis

2393.331 cm4

It Torsional moment of inertia (St. Venant) 76.17 cm4

iy Radius of inertia about Y1-axis 21.656 cm

iz Radius of inertia about Z1-axis 4.503 cm

Wu+ Maximum resisting moment about U-axis 2076.679 cm3

Wu- Minimum resisting moment about U-axis 2076.679 cm3

Wv+ Maximum resisting moment about V-axis 228.703 cm3

Wv- Minimum resisting moment about V-axis 228.703 cm3

Wpl,u Plastic resisting moment about U-axis 2366.45 cm3

Wpl,v Plastic resisting moment about V-axis 354.999 cm3

Iu Maximum inertia moment 55358.78 cm4

Iv Minimum inertia moment 2393.331 cm4

iu Maximum radius of inertia 21.656 cm

iv Minimum radius of inertia 4.503 cm

au+ Middle point along positive direction of Y(U)-axis 1.938 cm

au- Middle point along negative direction of Y(U)-axis

1.938 cm

av+ Middle point along positive direction of Z(V)-axis 17.594 cm

av- Middle point along negative direction of Z(V)-axis

17.594 cm

yM Coordinate of the center of gravity along Y-axis 10.465 cm

zM Coordinate of the center of gravity along Z-axis -26.657 cm

23 Cortantes máximos sobre la trabe



24 Croquis conexión



DISEÑO DE COLUMNAS

COLUMNAS DE PLANTA BAJAEl diseño de columnas de planta baja se realiza en los marcos más desfavorables, es decir, donde tenemos las cargas y los momentos máximos, que es el eje N, es realizado como columnas a flexo compresión biaxial, bajo combinaciones de carga ultima y combinaciones que incluyen sismo . El método de diseño será el de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras Metálicas. El diseño para éste nivel quedará regido para todas las columnas de planta baja, del primer nivel, segundo y tercero.

25 Numeración de miembros de columnas de planta baja, y selección del más desfavorable

26 Carga axial de diseño, L/C 7



27 Momento último de diseño en Y, L/C 7

28 Momento último de diseño en X, L/C 7



29 Cortante último de diseño, L/C 7



PROPUESTA DE CIMENTACIÓNGEOMETRÍAPor la forma que tiene la estructura lo más conveniente es mantener en la cimentación la misma forma, es decir la cimentación tendrá la forma regular en planta y del mismo tamaño. En caso de que los esfuerzos fueran muy grandes se ampliará a cerrar el rectángulo.

TIPO DE CIMENTACIÓN Y ESTRUCTURACIÓNDebido a la forma en que la estructura transmitirá las cargas a la cimentación y con base en las condiciones locales de los depósitos, se propone como elemento de cimentación de la estructura un cajón de cimentación de concreto reforzado rigidizado con contratrabes del mismo material en ambas direcciones para asegurar la estabilidad de la superestructura y de la subestructura, dándole una mayor rigidez de la que puede darle la losa por sí sola, estas contratrabes serán distribuidas de tal manera que se guarde la geometría de la cimentación y trabajen eficientemente desde el punto de vista estructural. Estas contratrabes estarán ubicadas en la subestructura con objeto que resistan la flexión causada por la presión del terreno, de rigidez a la losa fondo y también resistir compresiones por la acción del empuje del terreno circundante al cajón.

PROFUNDIDAD DE DESPLANTE Como la cimentación debe alojar, la cisterna y su cuarto de máquinas, además de de la posibilidad de utilizar el sótano como estacionamiento. Propondremos una profundidad de desplante será 3.00 m

PREDIMENSIONAMIENTO DE LAS CONTRATRABESContratrabe eje 2 L = 10.00m

El peralte de la contratrabe será igual a la altura del cajón.

b= L/30=1000/30 = 33.33 cm ~30.00 cm

PREDIMENSIONAMIENTO DE COLUMNASSe usará concreto f’c = 300 kg/cm2 en la subestructura

Carga axial más desfavorable P = 247.33 ton

Acol= 247.33/300*0.9 = 916 cm2

L= 30.26 cm

Como las columnas de la superestructura son perfiles HP14X117, se propone que las columnas de la subestructura sean de 60 x 60 cm.



PREDIMENSIONAMIENTO DE LOSA TAPA

Tablero más grande 13x10m

d=(1300+1000+(1300 x1 .25 )+(1000 x1 .25)250 )+2=22 .73.70cm=25cm

PREDIMENSIONAMIENTO DE LOSA FONDO

d=(1300+(1000x 1.25 )+(1300 x1 .25 )+(1000 x 1.25)200 )+8=35 .125cm=35cm

30 Propuesta de cimentación. Losa Fondo, Contratrabes y Columnas



31 Losa Tapa del cajón de cimentación

proyecto estructural

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