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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FÍSICAS Y

MATEMÁTICA

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

“ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE PROYECTOS

ESTRUCTURALES DE HORMIGÓN ARMADO Y

ESTRUCTURA MIXTA, PARA EL EDIFICIO CENTRUM

CURIE, DE LA CIUDAD DE QUITO”

TRABAJO DE GRADUACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO CIVIL

AUTORES

CARRIÓN SHIGUANGO STALIN RODOLFO

CUATÍN ESTACIO HUGO XAVIER

TUTOR

ING. DIEGO MARCELO QUIZANGA MARTÍNEZ

QUITO – 08 DE NOVIEMBRE

2016

ii

…………………………………..

Stalin Rodolfo Carrion Shiguango

CC. 150085676-8

móvil: 0995665551

mail: [email protected]

…………………………………..

Hugo Xavier Cuatín Estacio

C.C.: 0401799754

móvil: 0990110799


AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL

Nosotros, CARRIÓN SHIGUANGO STALIN RODOLFO y CUATÍN

ESTACIO HUGO XAVIER, en calidad de autores del trabajo de investigación:

“ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE PROYECTOS ESTRUCTURALES

DE HORMIGÓN ARMADO Y ESTRUCTURA MIXTA, PARA EL

EDIFICIO CENTRUM CURIE, DE LA CIUDAD DE QUITO”, autorizamos a

la Universidad Central del Ecuador a hacer uso del contenido total o parcial que nos

pertenece, con fines estrictamente académicos o de investigación.

Los derechos que como autores nos corresponde con excepción de la presente

autorización, seguirán vigentes a nuestro favor, de conformidad con lo establecido

en los artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y

su Reglamento.

También, autorizamos a la Universidad Central del Ecuador realizar la

digitalización y publicación de este trabajo de investigación en el repositorio

virtual, de conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de

Educación Superior.

iii

CERTIFICACIÓN DEL TUTOR

Yo, Ingeniero Diego Marcelo Quizanga Martínez, en calidad de tutor del trabajo de

titulación “ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE PROYECTOS

ESTRUCTURALES DE HORMIGÓN ARMADO Y ESTRUCTURA

MIXTA, PARA EL EDIFICIO CENTRUM CURIE, DE LA CIUDAD DE

QUITO” elaborado por los señores Carrión Shiguango Stalin Rodolfo y Cuatín

Estacio Hugo Xavier, ex-estudiantes de la Carrera de Ingeniería Civil, Facultad de

Ingeniería Ciencias Físicas y Matemática de la Universidad Central del Ecuador,

considero que el mismo reúne los requisitos y méritos necesarios en el campo

metodológico y en el campo epistemológico, para ser sometido a la evaluación por

parte del jurado examinador que se designe, por lo que lo APRUEBO, a fin de que

el trabajo de titulación con la modalidad de proyecto de investigación sea habilitado

para continuar con el proceso de titulación determinado por la Universidad Central

del Ecuador.

En la ciudad de Quito, a los 02 días del mes de Agosto del año 2016

-----------------------------------------

Ing. Diego Marcelo Quisanga M.

C.C.: 171546829-2

móvil: 0995199218


iv

INFORME DE LA COMISION LECTORA

v

NOTAS

vii

DEDICATORIA

A mis padres Rosalina Shiguango y Ángel Carrión

por ser un pilar fundamental en mi vida personal,

estudiantil y ahora profesional.

Carrión Stalin

viii

DEDICATORIA

A mis padres, Hugo Gonzalo y María Paulina,

quienes me han apoyado incondicionalmente en

cada momento de mi vida.

Hugo Xavier

ix

AGRADECIMIENTO

A mis padres Rosalina Shiguango y Ángel Carrión por todo el apoyo y sacrificio,

que ha significado ayudarme a alcanzar una meta más en mi vida personal y

profesional

Al MSc. Diego Quizanga, tutor del presente proyecto, así como a los MSc. Carlos

Lasso y Luis Morales, Lectores del presente proyecto, por su paciencia y apoyo

brindado.

A los docentes de la carrera de ingeniería civil, que a través de los años han sabido

inculcar sus conocimientos en nosotros los estudiantes, ayudándonos a superarnos

año tras año.

Carrión Stalin

x

AGRADECIMIENTO

A Dios por todas sus bendiciones.

Al MSc Diego Quizanga, tutor de este trabajo de investigación, quien ha

compartido sus conocimientos y ha confiado en el desarrollo del mismo.

A los MSc. Luis Morales y Carlos Lasso por sus observaciones y comentarios

realizados en este trabajo.

A todos quienes han contribuido para la elaboración de este trabajo.

Hugo Xavier

xi

CONTENIDO

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL...................................... ii

CERTIFICACIÓN DEL TUTOR ........................................................................ iii

INFORME DE LA COMISION LECTORA ....................................................... iv

NOTAS ............................................................................................................... v

DEDICATORIA ................................................................................................ vii

AGRADECIMIENTO ........................................................................................ ix

RESUMEN ...................................................................................................... xxv

ABSTRACT ................................................................................................... xxvi

1. CAPITULO I ................................................................................................... 1

PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA .............................................................. 1

1.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................. 1

1.2. ANTECEDENTES ................................................................................ 2

1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................... 3

1.4. JUSTIFICACIÓN .................................................................................. 3

1.5. ALCANCE ............................................................................................ 3

1.6. OBJETIVOS .......................................................................................... 4

1.6.1. Objetivo General ............................................................................ 4

1.6.2. Objetivos Específicos ..................................................................... 4

1.7. HIPÓTESIS ........................................................................................... 4

2. CAPÍTULO II ................................................................................................ 5

CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL ESTUDIO .......................... 5

2.1. TIPOS DE SUELOS EN LA CIUDAD DE QUITO. .............................. 5

2.1.1. Tipos de Suelos Establecidos en la NEC 2015 ................................ 5

2.1.2. Estudio de Microzonificación Sísmica de Quito .............................. 6

xii

2.1.3. Tipos de Suelos Adoptados para el Estudio ................................... 10

2.1.4. Características de los Perfiles de Suelo B, C y D ........................... 10

2.1.5. Coeficientes de Perfil de Suelo ..................................................... 11

2.2. ESTRUCTURAS EXISTENTES EN LA CIUDAD DE QUITO .......... 14

2.2.1. Estructura en Hormigón Armado .................................................. 17

2.2.2. Estructura Mixta ........................................................................... 22

2.2.3. Estructura Compuesta ................................................................... 28

2.3. SISTEMAS ESTRUCTURALES EXISTENTES EN QUITO. ............. 35

2.3.1. Sistemas Estructurales Aporticados ............................................... 35

2.3.2. Sistema de Muros de Corte ........................................................... 37

2.3.3. Sistemas de Muros Portantes......................................................... 40

2.3.4. Sistemas de Aislamiento Sísmico .................................................. 41

2.4. PATOLOGÍAS POR DEFECTO EN EDIFICACIONES DEL DMQ ... 43

2.4.1. Columna Corta ............................................................................. 44

2.4.2. Piso Blando .................................................................................. 46

2.4.3. Piso Débil ..................................................................................... 48

2.4.4. Configuración Estructural ............................................................. 49

2.5. FILOSOFÍA DEL DISEÑO SISMO RESISTENTE ............................. 52

3. CAPÍTULO III ............................................................................................. 54

ANÁLISIS Y DISEÑO DEL EDIFICIO ANTE DIFERENTES

CONDICIONES ESTRUCTURALES Y DE PERFIL DE SUELO............... 54

3.1. ANÁLISIS PRELIMINAR DEL PROYECTO .................................... 54

3.1.1. Ubicación del Proyecto ................................................................. 54

3.1.2. Proyecto Arquitectónico ............................................................... 54

3.1.3. Configuración en Planta ................................................................ 56

3.1.4. Configuración en Elevación .......................................................... 59

xiii

3.1.5. Propiedades de los Materiales a Utilizar ........................................ 61

3.1.6. Estructura de Hormigón Armado .................................................. 62

3.1.7. Estructura Mixta ........................................................................... 72

3.1.8. Análisis de la Acción Sísmica ....................................................... 81

3.2. MODELAMIENTO ESTRUCTURAL .............................................. 109

3.2.1. Software Empleado para el Diseño ............................................. 110

3.2.2. Modelamiento Tridimensional .................................................... 110

3.3. ANÁLISIS DEL MODALEMIENTO ESTRUCTURAL ................... 114

3.3.1. Consideraciones Generales para el Análisis ................................ 114

3.3.2. Registro y Ejecución del Último Análisis .................................... 119

3.3.3. Cimentaciones ............................................................................ 130

3.4. DISEÑO ESTRUCTURAL................................................................ 135

3.4.1. Criterios de Diseño Estructural ................................................... 135

3.4.2. Método de Diseño para E.H.A. y E.M. ........................................ 138

3.4.3. Diseño del Sistema Estructural en Hormigón Armado ................. 138

3.4.4. Diseño del Sistema Estructural Mixto ......................................... 150

3.4.5. Resultados del Diseño Estructural ............................................... 161

4. CAPITULO IV ........................................................................................... 169

ANÁLISIS ECONÓMICO Y TÉCNICO - ECONÓMICO ......................... 169

4.1. ANÁLISIS ECONÓMICO ................................................................ 169

4.1.1. Criterios de Análisis ................................................................... 169

4.1.2. Análisis de Costos ...................................................................... 170

4.1.3. Rubros Considerados .................................................................. 170

4.1.4. Análisis de Precios Unitarios. ..................................................... 172

4.1.5. Presupuestos por Tipo de Estructura y Perfil de Suelo ................. 183

4.2. ANÁLISIS TÉCNICO – ECONÓMICO ............................................ 191

xiv

4.2.1. Evaluación Técnico y Económica ............................................... 191

5. CAPÍTULO V ............................................................................................ 207

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................ 207

5.1. CONCLUSIONES ............................................................................. 207

5.2. RECOMENDACIONES .................................................................... 210

BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 212

ANEXOS ........................................................................................................ 215

xv

LISTA DE TABLAS

Tabla Nº 2. 1: Clasificación de los Perfiles de Suelo. .......................................... 5

Tabla Nº 2. 2: Zonificación Primaria de Quito..................................................... 7

Tabla Nº 2. 3: Zonificación Primaria de Quito................................................... 10

Tabla Nº 2. 4: Valores del Factor Z en Función de la Zona Sísmica. ................. 12

Tabla Nº 2. 5: Coeficiente de Perfil de Suelo Fa. ............................................... 12

Tabla Nº 2. 6: Coeficiente de Perfil de Suelo Fd................................................ 12

Tabla Nº 2. 7: Coeficiente de Perfil de Suelo Fs. ............................................... 13

Tabla Nº 2. 8: Factores de Amplificación por Tipo de Suelo. ............................ 13

Tabla Nº 2. 9: Edificaciones Registradas y Clasificadas por Tipo de Estructura en

la Ciudad de Quito, Período 2015 – 2016. .......................................................... 14

Tabla Nº 2. 10: Beneficios de la Construcción Mixta. ....................................... 23

Tabla Nº 2. 11: Desventajas de la Construcción Mixta. ..................................... 25

Tabla Nº 3. 1: Distribución y Usos del Edificio. ................................................ 55

Tabla Nº 3. 2: Configuraciones Estructurales Recomendadas - NEC 2015. ....... 59

Tabla Nº 3. 3: Pesos Unitarios de Materiales de Construcción. .......................... 66

Tabla Nº 3. 4: Modulación de Cargas por m2 de Losa........................................ 66

Tabla Nº 3. 5: Cargas en Función del Uso, Niveles Superiores al N+ 0.00......... 66

Tabla Nº 3. 6: Cargas Vivas y Permanentes por Nivel. ...................................... 70

Tabla Nº 3. 7: Carga Neta y Sección Máxima de Columnas por Eje - EHA. ...... 71

Tabla Nº 3. 8: Cargas en Función del Uso, Niveles Superiores al N+ 0.00......... 72

Tabla Nº 3. 9: Cargas en Función del Uso, Niveles Menores al N+ 0.00............ 73

Tabla Nº 3. 10: Carga Sobreimpuesta en kg/m2. ................................................ 74

xvi

Tabla Nº 3. 11: Modulación de Cargas por m2 de Losa. .................................... 74

Tabla Nº 3. 12: Cargas en Función del Uso, Niveles Mayores al N+ 0.00. ......... 75

Tabla Nº 3. 13: Cargas en Función del Uso, Niveles Menores al N+ 0.00. ......... 75

Tabla Nº 3. 14: Perfiles Laminados IPE. ........................................................... 79

Tabla Nº 3. 15: Cargas Vivas y Permanentes por Nivel. .................................... 80

Tabla Nº 3. 16: Cargas Neta y Sección Máxima de Columnas - EM. ................. 81

Tabla Nº 3. 17: Tipo de Uso, Destino e Importancia de la Estructura................. 82

Tabla Nº 3. 18: Coeficiente R para sistemas estructurales dúctiles. .................... 84

Tabla Nº 3. 19: Coeficientes de Espectro, Suelo Tipo B. ................................... 88

Tabla Nº 3. 20: Coeficientes de Espectro, Suelo Tipo C. ................................... 89

Tabla Nº 3. 21: Coeficientes de Espectro, Suelo Tipo D. ................................... 89

Tabla Nº 3. 22: Coeficientes Ct y α. .................................................................. 90

Tabla Nº 3. 23: Cargas Reactivas por Piso – EHA. ............................................ 91

Tabla Nº 3. 24: Cargas Reactivas por Piso – EM. .............................................. 91

Tabla Nº 3. 25: Coeficientes Sísmicos y Cortantes Basales. .............................. 92

Tabla Nº 3. 26: Distribución Vertical de Fuerzas por Nivel. E.H.A.S.B. ............ 94

Tabla Nº 3. 27: Distribución Vertical de Fuerzas por Nivel. E.H.A.S.C. ............ 95

Tabla Nº 3. 28: Distribución Vertical de Fuerzas por Nivel. E.H.A.S.D............. 96

Tabla Nº 3. 29: Distribución Vertical de Fuerzas por Nivel. E.M.S.B. ............. 100

Tabla Nº 3. 30: Distribución Vertical de Fuerzas por Nivel. E.M.S.C. ............. 101

Tabla Nº 3. 31: Distribución Vertical de Fuerzas por Nivel. E.M.S.D. ............. 102

Tabla Nº 3. 32: Valor de ∆M, expresados como fracción de la altura de Piso. .. 108

Tabla Nº 3. 33: Desplazamientos Máximos por Fuerzas Laterales de Diseño

Reducidas. ....................................................................................................... 109

Tabla Nº 3. 34: Combinaciones de Carga. ....................................................... 117

xvii

Tabla Nº 3. 35: Cortante Basal Estático y Dinámico Acumulado. .................... 123

Tabla Nº 3. 36: Cortantes Basal Obtenidos para la EHA por Perfil de Suelo. ... 125

Tabla Nº 3. 37: Cortantes Basal Obtenidos para la EM por Perfil de Suelo. ..... 125

Tabla Nº 3. 38: Resumen de Derivas de Piso Obtenidas para la Estructura de

Hormigón Armado por Perfil de Suelo. ............................................................ 127

Tabla Nº 3. 39: Resumen de Derivas de Piso Obtenidas para la Estructura Mixta

por Perfil de Suelo. .......................................................................................... 127

Tabla Nº 3. 40: Derivas Inelásticas Sismo en X en la EMSB. .......................... 129

Tabla Nº 3. 41: Derivas Inelásticas Sismo en Y en la EMSB. .......................... 129

Tabla Nº 3. 42: Resultado de Diseño para Viga Tipo EHASB ......................... 144

Tabla Nº 3. 43: Diseño de Columna Piso 1, Ejes 2-B. ..................................... 146

Tabla Nº 3. 44: Resultado de Diseño para Viga Tipo Suelo B. ........................ 156

Tabla Nº 3. 45: Diseño de Columna Sub 4, Ejes 5-C ....................................... 159

Tabla Nº 3. 46: Resultados de Diseño de Losa en Todas las Plantas. ............... 162

Tabla Nº 3. 47: Resultados de Diseño de Vigas en Todas las Plantas. .............. 163

Tabla Nº 3. 48: Resultados de Diseño de Columnas en todos los Pisos. ........... 164

Tabla Nº 3. 49: Resultados de Diseño de Muros de Corte. ............................... 165

Tabla Nº 3. 50: Resultados de Diseño de Vigas de Cimentación. ..................... 165

Tabla Nº 3. 51: Resultados de Diseño de Losa en Todas las Plantas. ............... 166

Tabla Nº 3. 52: Resultados de Diseño de Vigas en Todas las Plantas. .............. 166

Tabla Nº 3. 53: Resultados de Diseño de Columnas en todos los Pisos. ........... 167

Tabla Nº 3. 54: Resultados de Diseño de Muros de Corte. ............................... 167

Tabla Nº 3. 55: Resultados de Diseño de Vigas de Cimentación. ..................... 168

Tabla Nº 4. 1: Rubros para Estructura de Hormigón Armado. ......................... 171

Tabla Nº 4. 2: Rubros para Estructura Mixta. .................................................. 171

xviii

Tabla Nº 4. 3: Rubro – Excavación y Desalojo a Máquina. .............................. 173

Tabla Nº 4. 4: Rubro – Replantillo Hormigón Simple f’c=18 MPa. ................. 174

Tabla Nº 4. 5: Rubro – Hormigón en Muros f’c= 24 MPa. .............................. 175

Tabla Nº 4. 6: Rubro – Hormigón en Vigas de Cimentación f’c= 24 MPa. ...... 176

Tabla Nº 4. 7: Rubro – Acero de Refuerzo. ..................................................... 177

Tabla Nº 4. 8: Rubro – Hormigón en Columnas f’c= 24 MPa. ......................... 178

Tabla Nº 4. 9: Rubro – Hormigón en Diafragmas f’c= 24 MPa. ...................... 179

Tabla Nº 4. 10: Rubro - Hormigón en Losa f’c= 24 MPa. ................................ 180

Tabla Nº 4. 11: Rubro – Hormigón en Vigas f’c= 24 MPa............................... 181

Tabla Nº 4. 12: Rubro – Acero Estructural A36. ............................................. 182

Tabla Nº 4. 13: Presupuesto para la Estructura Mixta – Suelo Tipo B. ............. 184

Tabla Nº 4. 14: Presupuesto para la Estructura Mixta – Suelo Tipo C. ............. 185

Tabla Nº 4. 15: Presupuesto para la Estructura Mixta – Suelo Tipo D. ............. 186

Tabla Nº 4. 16: Presupuesto para la Estructura de Hormigón Armado – Suelo

Tipo B. ............................................................................................................ 187


Tipo C. ............................................................................................................ 188


Tipo D. ............................................................................................................ 189

Tabla Nº 4. 19: Resumen de Costos de Materiales Según el Tipo de Estructura y

Suelo................................................................................................................ 190

Tabla Nº 4. 20: Cantidad de Materiales Según el Suelo y Tipo de Estructura... 192

Tabla Nº 4. 21: Peso Total de la Estructura de Hormigón Armado y Mixta por

Perfil de Suelo. ................................................................................................ 196

xix

LISTA DE FIGURAS

Figura Nº 2.1: Identificación Primaria por Zonas para la Ciudad de Quito. ......... 7

Figura Nº 2. 2: Clasificación de los Suelos de Quito EPN 2002. ......................... 8

Figura Nº 2. 3: Velocidad de la Onda de Corte. ................................................... 9

Figura Nº 2. 4: Edificio de Estructura Metálica. ................................................ 15

Figura Nº 2. 5: Establecimiento Constructivo - Edificaciones Mediana Altura. . 16

Figura Nº 2. 6: Tipos de Estructuras Existentes en la Ciudad de Quito. ............. 16

Figura Nº 2. 7: Estructura de Hormigón Armado (Edificio Hator). .................... 17

Figura Nº 2. 8: Edificio de Hormigón Armado con Losa Alivianada. ................ 18

Figura Nº 2. 9: Tipos de Vigas de Hormigón Armado. ...................................... 19

Figura Nº 2. 10: Edificio de Hormigón Armado con Vigas Rectangulares

Descolgadas ....................................................................................................... 21

Figura Nº 2. 11: Columnas según su Sección Transversal. ................................ 21

Figura Nº 2. 12: Estructura Mixta. .................................................................... 23

Figura Nº 2. 13: Losa Mixta Reforzada con Cubierta de Acero Perfilada. ......... 26

Figura Nº 2. 14: Conexiones Usuales de Viga Acero - Hormigón. ..................... 27

Figura Nº 2. 15: Estructura Mixta. .................................................................... 28

Figura Nº 2. 16: Sistema Compuesto. ................................................................ 29

Figura Nº 2. 17: Sistema de Construcción con Losa Compuesta. ....................... 30

Figura Nº 2. 18: Vigas Compuestas en Paralelo y Matriz. ................................. 31

Figura Nº 2. 19: Columnas Compuestas Tipo. ................................................... 32

Figura Nº 2. 20: Bloque 1. Plataforma Financiera del DMQ. ............................. 32

Figura Nº 2. 21: Conexiones Viga – Columna. .................................................. 34

Figura Nº 2. 22: Sistema Aporticado. ................................................................ 36

xx

Figura Nº 2. 23: Sistema Aporticado de un Edificio en Quito. ........................... 37

Figura Nº 2. 24: Distribución de los Muros de Corte. ........................................ 38

Figura Nº 2. 25: Distribución de los Muros de Corte en el Proyecto. ................. 40

Figura Nº 2. 26: Sistema con Paredes Estructurales. .......................................... 41

Figura Nº 2. 27: Sistema de Aislamiento Sísmico. ............................................ 42

Figura Nº 2. 28: Patologías por Defecto. ........................................................... 43

Figura Nº 2. 29: Formación de Columna Corta. ................................................ 44

Figura Nº 2. 30: Alternativa para Evitar Columna Corta. .................................. 45

Figura Nº 2. 31: Formación de Piso Blando Caso I. .......................................... 46

Figura Nº 2. 32: Formación de Piso Blando Caso II. ......................................... 47

Figura Nº 2. 33: Formación de Piso Débil. ........................................................ 48

Figura Nº 2. 34: Irregularidad en Elevación. ..................................................... 50

Figura Nº 2. 35: Irregularidad en Planta y Elevación. ........................................ 50

Figura Nº 2. 36: Irregularidad en Elevación. ..................................................... 51

Figura Nº 2. 37: Defectos Estructurales Presentes en Edificaciones de Quito. ... 52

Figura Nº 3. 1: Ubicación del Edificio. ............................................................. 55

Figura Nº 3. 2: Configuración Planta Tipo N+2.88 a N+25.92. ......................... 57

Figura Nº 3. 3: Configuración Losa Entrepiso N +0.00. .................................... 58

Figura Nº 3. 4: Irregularidad Geométrica Corte C – C. ...................................... 60

Figura Nº 3. 5: Configuración en Elevación Corte C– C.................................... 61

Figura Nº 3. 6: Conformación de la sección de Losa. ........................................ 63

Figura Nº 3. 7: Consideraciones para Pre dimensionado de Vigas. .................... 67

Figura Nº 3. 8: Dispocicion de Vigas Secundarias............................................. 78

Figura Nº 3. 9: Espectro Elástico Horizontal de Diseño..................................... 85

xxi

Figura Nº 3. 10: Zonas Sísmicas del Ecuador. ................................................... 86

Figura Nº 3. 11: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales - Suelo B. .............. 94

Figura Nº 3. 12: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales - Suelo C. .............. 95

Figura Nº 3. 13: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales - Suelo D. ............. 96

Figura Nº 3. 14: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales por Suelo – E.H.A. 97

Figura Nº 3. 15: Cortante Basal por Perfil de Suelo para la E.H.A. ................... 98

Figura Nº 3. 16: Porcentaje de Decremento del Cortante Basal de los Perfiles de

Suelo C y B respecto al Perfil de Suelo D........................................................... 99

Figura Nº 3. 17: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales - Suelo B. ............ 100

Figura Nº 3. 18: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales - Suelo C. ............ 101

Figura Nº 3. 19: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales - Suelo D. ........... 102

Figura Nº 3. 20: Distribución Vertical de Fuerzas por Suelo para E.M. ........... 103

Figura Nº 3. 21: Cortantes Basal para el Sistema Estructural Mixto. ............... 104

Figura Nº 3. 22: Porcentajes de Decremento del Cortante Basal de los Perfiles de

Suelo C y B respecto al Suelo D. ...................................................................... 105

Figura Nº 3. 23: Espectros de Respuesta de Diseño - Suelo B. ........................ 107

Figura Nº 3. 24: Espectros de Respuesta de Diseño - Suelo C. ........................ 107

Figura Nº 3. 25: Espectros de Respuesta de Diseño - Suelo D. ........................ 108

Figura Nº 3. 26: Geometría del Edificio en Hormigón Armado. ...................... 111

Figura Nº 3. 27: Vista Renderizada del Modelo en Hormigón Armado. .......... 112

Figura Nº 3. 28: Geometría del Edificio en Estructura Mixta........................... 113

Figura Nº 3. 29: Vista Renderizada del Modelo en Estructura Mixta. .............. 113

Figura Nº 3. 30: Patrón de Cargas Estáticas y Dinámicas. ............................... 115

Figura Nº 3. 31: Espectro de Respuesta Reducido, Perfil de Suelo Tipo D. ..... 116

Figura Nº 3. 32: Definición de Combinaciones de Carga. ................................ 118

Figura Nº 3. 33: Datos de Casos Modal........................................................... 119

xxii

Figura Nº 3. 34: Deriva Máxima de Piso por Sismo en X y Y. ........................ 124

Figura Nº 3. 35: Distribución Vertical de fuerzas Laterales de la EMSB. ........ 126

Figura Nº 3. 36: Distribución del Cortante por piso de la EMSB. .................... 126

Figura Nº 3. 37: Geometría de Vigas de Cimentación - Estructura Tipo. ......... 132

Figura Nº 3. 38: Diagramas de Deformación de la Cimentación. ..................... 133

Figura Nº 3. 39: Diagramas de Esfuerzo del Suelo. ......................................... 133

Figura Nº 3. 40: Diagramas de Corte en Vigas de Cimentación. ...................... 134

Figura Nº 3. 41: Diagramas de Momentos en Vigas de Cimentación. .............. 134

Figura Nº 3. 42: Diseño de Vigas de Cimentación. .......................................... 135

Figura Nº 3. 43: Diagramas de Momento, Corte y Axial por Cargas de Servicio.

........................................................................................................................ 139

Figura Nº 3. 44: Diagramas de Momento, Corte y Axial por Cargas en Ultima

Resistencia. ...................................................................................................... 140

Figura Nº 3. 45: Diagramas de Momento, Corte y Axial por Sismo en Xp. ..... 140

Figura Nº 3. 46: Diagramas de Momento, Corte y Axial por Sismo en Yp. ..... 141

Figura Nº 3. 47: Diagramas Globales de Momento, Corte y Axial por Sismo Xp.

........................................................................................................................ 141

Figura Nº 3. 48: Diagramas Globales de Momento, Corte y Axial por Sismo Yp.

........................................................................................................................ 142

Figura Nº 3. 49: Diseño de Vigas, Planta 1. .................................................... 143

Figura Nº 3. 50: Diseño de Vigas, Subsuelo 2. ................................................ 143

Figura Nº 3. 51: Diseño de Columnas. Elevación C. ....................................... 145

Figura Nº 3. 52: Diagrama de Interacción - Columna 45x90. EHASB ............. 146

Figura Nº 3. 53: Capacidad de Viga Respecto a Capacidad de Columna.

Elevación D. .................................................................................................... 147

xxiii

Figura Nº 3. 54: Capacidad Columna – Viga y Capacidad de Nudo a Corte.

Elevación D. .................................................................................................... 148

Figura Nº 3. 55: Diseño del Muro de Corte eje B en la EHASB. ..................... 149

Figura Nº 3. 56: Diagramas de Corte por Sismo en Xp y Yp en Muro Estructural.

........................................................................................................................ 149


........................................................................................................................ 150


Resistencia. ...................................................................................................... 151

Figura Nº 3. 59: Diagramas de Momento, Corte y Axial por Sismo en Xp. ..... 151

Figura Nº 3. 60: Diagramas de Momento, Corte y Axial por Sismo en Yp. ..... 152

Figura Nº 3. 61: Diagramas Globales de Momento, Corte y Axial por Sísmo Xp.

........................................................................................................................ 152


........................................................................................................................ 153


........................................................................................................................ 153

Figura Nº 3. 64: Diseño del Muro de Corte eje B en la EHASB. ..................... 154

Figura Nº 3. 65: Diseño de Vigas, Planta 1 y Subsuelo 2. ................................ 155

Figura Nº 3. 66: Diseño de Vigas Metálicas, Planta 6 y Subsuelo 3. ................ 157

Figura Nº 3. 67: Diseño de Columnas. Elevación D. ....................................... 158

Figura Nº 3. 68: Diagrama de Interacción - Columna 45x90. EHASB ............. 159


Elevación D. .................................................................................................... 160


Elevación D. .................................................................................................... 161

xxiv

Figura Nº 4. 1: Volumen de Hormigón por Estructura y Perfil de Suelo. ......... 193

Figura Nº 4. 2: Variación del Volumen de Hormigón por Estructura y Perfil de

Suelo................................................................................................................ 193

Figura Nº 4. 3: Variación de Materiales en la EHA por Tipo de Suelo. ........... 194

Figura Nº 4. 4: Variación de Materiales en la EM por Tipo de Suelo............... 194

Figura Nº 4. 5: Peso Hormigón por Tipo de Estructura y Perfil de Suelo. ........ 197

Figura Nº 4. 6: Peso Acero por Tipo de Estructura y Perfil de Suelo. .............. 197

Figura Nº 4. 7: Variación de Peso del Acero por Estructura y Perfil de Suelo. . 198

Figura Nº 4. 8: Variación del Peso en Acero en la EHA por Tipo de Suelo. .... 198

Figura Nº 4. 9: Variación del Peso en Acero en la EM por Tipo de Suelo. ...... 199

Figura Nº 4. 10: Peso Total por Tipo de Estructura y Perfil de Suelo en Acero.

........................................................................................................................ 199

Figura Nº 4. 11: Cortantes Basales Estáticos y Dinámicos de EHA. ................ 200

Figura Nº 4. 12: Cortantes Basales Estáticos y Dinámicos de EM. .................. 200

Figura Nº 4. 13: Variación del Cortante Basal por Estructura y Suelo. ............ 201

Figura Nº 4. 14: Decremento Basal Estático de EHA por Perfil de Suelo. ....... 202

Figura Nº 4. 15: Decremento Basal Estático de EM por Perfil de Suelo. ......... 203

Figura Nº 4. 16: Costo Total por Tipo de Estructura y Perfil de Suelo. ............ 204

Figura Nº 4. 17: Tendencia de Variación del Costo por Tipo de Estructura y

Perfil de Suelo. ................................................................................................ 205

Figura Nº 4. 18: Variación del Costo en la EHA por Tipo de perfil de Suelo. .. 206

Figura Nº 4. 19: Variación del Costo en la EM por Tipo de Perfil de Suelo. .... 206

xxv

RESUMEN

“ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE PROYECTOS ESTRUCTURALES DE

HORMIGÓN ARMADO Y ESTRUCTURA MIXTA, PARA EL EDIFICIO

CENTRUM CURIE, DE LA CIUDAD DE QUITO”

AUTORES: CARRIÓN SHIGUANGO STALIN RODOLFO


TUTOR: ING. DIEGO MARCELO QUIZANGA MARTÍNEZ

El proyecto tiene por objeto la comparación técnica y económica de un sistema

estructural aporticado con muros de corte tanto en hormigón armado como en

estructura mixta para diferentes condiciones locales del Distrito Metropolitano de

Quito, analizado acorde a las especificaciones de la Norma Ecuatoriana de la

Construcción 2015 y el Código del Instituto Americano del Concreto 318-14,

mediante el uso de los programas computacionales ETABS V15.0 y SAFE V12.3.2

para el diseño de la superestructura y subestructura respectivamente. Para llevar a

cabo la ejecución del proyecto se ha elaborado un compendio de información

basada en estudios previos e información levantada en el área de estudio,

parámetros necesarios que permiten justificar las consideraciones establecidas para

el análisis técnico y de comparación de costos. Con respecto a la metodología

utilizada en el desarrollo del proyecto, parte de un análisis preliminar,

modelamiento y diseño de la edificación en hormigón armado y estructura mixta

bajo diferentes condiciones estructurales y de perfil de suelo; medios necesarios

para realizar dicha comparación.

PALABRAS CLAVE: SUELOS TIPO B, C, D / PATOLOGÍAS

ESTRUCTURALES / ESTRUCTURAS EXISTENTES DEL DMQ / SISTEMAS

ESTRUCTURALES / DISEÑO ESTRUCTURAL / ESTRUTURA DE

HORMIGÓN ARMADO / ESTRUCTURA MIXTA ACERO HORMIGÓN /

PROGRAMA ETABS / PROGRAMA SAFE / NEC 2015 / ANÁLISIS TÉCNICO

ECONÓMICO.

xxvi

ABSTRACT

“COMPARATIVE STUDY BETWEEN STRUCTURAL PROJECTS OF SOLID

CONCRETE AND MIXED STRUCTURE FOR THE CENTRUM CURIE

BUILDING IN QUITO CITY”

AUTHORS: CARRIÓN SHIGUANGO STALIN RODOLFO


TUTOR: MSc. DIEGO MARCELO QUIZANGA MARTÍNEZ

This project aims at a technical and economic comparison of a structural framed

system with shear walls both in solid concrete and mixed structure designed for

different local conditions in the Distrito Metropolitano de Quito. This project has

been analyzed according to the specifications of the Ecuadorian Construction

Standard 2015 and the American Concrete Institute Code 318-14. The ETABS

V15.0 and SAFE V12.3.2 software programs were also used for the design of the

superstructure and substructure respectively. In order to carry out the present

project, a compendium of information based on previous studies and information

gathered in the study area were needed. These data have been helpful to justify the

established considerations for the technical analysis and comparison of costs.

Regarding the methodology used in this project, it starts with a preliminary analysis,

modeling and design of the building in solid concrete and mixed structure under

different structural conditions and soil profile which are necessary means to make

such comparison.

KEY WORDS: SOILS TYPE B, C, D / STRUCTURAL PROBLEMS /

EXISTING STRUCTURES OF DMQ / STRUCTURAL SYSTEMS /

STRUCTURAL DESIGN / SOLID CONCRETE STRUCTURE / MIXED

STRUCTURE STEEL-CONCRETE / ETABS PROGRAM / SAFE PROGRAM /

NEC 2015 / THECHNICAL AND ECONOMICAL ANALYSIS.

1

1. CAPITULO I

PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA

1.1. INTRODUCCIÓN

En los últimos años la construcción de edificaciones se ha incrementado

notablemente en la Ciudad de Quito, las cuales en su mayoría corresponden a

estructuras de Hormigón Armado. Con el avance de nuevas técnicas ingenieriles se

han logrado implementar nuevos elementos como losas deck y perfiles de acero,

para que conformen un sistema estructural más ligero, denominado estructura

mixta.

A pesar de que un gran porcentaje de estas edificaciones están conformadas por

materiales dúctiles cuyas propiedades les permite comportarse adecuadamente ante

eventos naturales inesperados, existe un gran número de estructuras que presentan

diferentes patologías estructurales que pueden incidir en la vulnerabilidad de las

mismas.

Este estudio busca permitir a los diseñadores y constructores en la toma de

decisiones, en cuanto a la incidencia económica de adoptar uno u otro sistema en

diferentes condiciones locales (suelo B, C y D), para las zonas norte, centro norte y

sur de la ciudad de Quito.

Con el objeto de entender el estudio comparativo entre los dos sistemas

estructurales planteados, se realiza un modelamiento estructural para un edificio

definido como Tipo, considerando ciertos parámetros de diseño para cada tipo de

estructura, y así determinar su idoneidad cumpliendo las disposiciones y

especificaciones del Código ACI 318 y la NEC-2015.

2

El modelamiento y diseño de los sistemas estructurales se llevó a cabo en el

programa computacional ETABS en su versión 15, y para la cimentación, se utilizó

el software SAFE V12.3.2, programas que funcionan convenientemente debido a

su número considerable de actualizaciones y revisiones realizadas por profesionales

inmiscuidos en el campo estructural de diseño.

1.2. ANTECEDENTES

El desarrollo de nuevos materiales de construcción ha permitido a varios

constructores inmiscuirse directamente con métodos constructivos de fácil

aplicación que forme parte de los sistemas estructurales con mayor demanda en la

ciudad.

Para tener constancia de la viabilidad entre los proyectos constructivos de hormigón

armado, estructura metálica y mixta, en los últimos años se han desarrollado ciertos

estudios e investigaciones. Como por ejemplo los realizados por Aguirre y Figueroa

(2008)1, Atapuma et al. (2013)2 y Tamayo (2014)3, sobre el análisis, estudio y

evaluación técnica – económica entre sistemas estructurales.

Sin embargo, las investigaciones sugieren un estudio determinado considerando

únicamente un tipo de suelo sobre el cual se implantarán las estructuras

seleccionadas, es decir, su comportamiento es de carácter específico ante cualquier

evento inesperado y su rentabilidad de acuerdo al tipo de materiales y construcción.

En cuanto a los suelos que se encuentran en el Distrito Metropolitano de Quito, los

estudios realizados por la Escuela Politécnica Nacional (1994), Instituto Francés de

Cooperación (1997), Escuela Politécnica Nacional (2002) y la coMPañía consultora

ERN, son la base para establecer el tipo de suelo presente en las diferentes zonas de

la ciudad y en función de la Norma Ecuatoriana de la Construcción 2015.

1 Análisis Técnico - Económico entre Proyectos de Construcción de Estructura Metálica y Hormigón

Armado para Edificios. EPN 2008 2 Estudio Técnico Económico CoMParativo entre Estructuras de Hormigón Armado, Metálica y

Madera para Viviendas y Edificios. UCE 2013 3 Evaluación Técnico – Financiera entre sistemas constructivos para edificios con estructura de

Hormigón Armado, de Acero y Mixta en Quito. UCE 2014

3

Con lo expuesto y en base a observaciones realizadas, surge la importancia de

considerar este estudio, abarcando de manera específica la viabilidad técnica y de

los costos de una estructura tipo en función a los suelos presentes en la Ciudad de

Quito.

1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

¿Cómo varía el costo de un edificio tipo, tanto en Hormigón Armado como en

Estructura Mixta, en el Distrito Metropolitano de Quito dependiendo del tipo de

suelo de cimentación?

1.4. JUSTIFICACIÓN

Con este estudio se pretende orientar al diseñador y al constructor al momento de

decidir el tipo de edificación a construir en un determinado suelo de Quito.

La factibilidad del estudio se evidencia al no requerirse de un gran presupuesto para

la realización de la investigación y al contar con estudios previos en cuanto a los

sistemas estructurales planteados y a los tipos de suelo que se encuentran en la

Ciudad de Quito.

Con respecto al edificio tipo se toman los datos geométricos del Edificio Centrum

Curie, adjudicado a la Empresa Constructora Cevallos S.A.; se indica que el

desarrollo de este proyecto tiene fines netamente académicos.

1.5. ALCANCE

Con respecto a la delimitación de los resultados, considerando que se realizan varios

modelos del mismo edificio tanto en Hormigón Armado como en Estructura Mixta

para los suelos tipo B, C y D. Los resultados se presentan en función del tipo de

estructura, costo de las edificaciones y el tipo de suelo de cimentación; sin embargo,

de que no se podrá generalizar este caso de estudio a otras estructuras de Quito si

se tendrá una idea clara de la incidencia del tipo de estructura y del suelo para este

caso particular.

Es importante señalar que no se presentan planos estructurales, debido a que este

estudio se desarrolla con fines netamente académicos y la comparación se realiza

4

en función de los armados longitudinales de las vigas, columnas y diafragmas, es

de resaltar esto debido a que no se realiza el diseño de estribos y conexiones,

mismos que deberían realizarse por capacidad para cumplir los requerimientos del

diseño Sismo Resistente.

1.6. OBJETIVOS

1.6.1. Objetivo General

Realizar un estudio comparativo del comportamiento estructural y económico para

los espectros de respuesta inelásticos de los suelos B, C y D para las estructuras tipo

en Hormigón Armado y Mixta para el Edificio Centrum Curie.

1.6.2. Objetivos Específicos

Identificar y comparar el comportamiento estructural de cada tipo de

estructura por su periodo de vibración, derivas inelásticas, peso y cortantes

basales bajo los espectros de respuesta inelástica de los suelos B, C y D.

Obtener los costos del Edificio diseñado bajo los espectros de respuesta

inelásticos de los suelos B, C y D y en función del diseño estructural en

Hormigón Armado y Estructura Mixta.

Obtener una comparación global de costos en base a los tipos de suelo y

determinar cuál de los dos sistemas estructurales resulta más económico

para este caso en particular.

1.7. HIPÓTESIS

La estructura mixta al estar conformada por elementos estructurales más livianos,

permitirá obtener un sistema que incluya menores cantidades de material tanto en

la superestructura como en la subestructura, volviéndolo económicamente más

viable para su construcción. De igual manera, en el diseño sísmico presentará un

mejor comportamiento, originando menores desplazamientos laterales.

5

2. CAPÍTULO II

CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL ESTUDIO

2.1. TIPOS DE SUELOS EN LA CIUDAD DE QUITO.

2.1.1. Tipos de Suelos Establecidos en la NEC 2015

La Norma Ecuatoriana de la Construcción clasifica a los suelos utilizando

parámetros de velocidad de onda cortante promedio del suelo (Vs 30m superiores

del perfil), número medio de golpes del ensayo de penetración estándar (N),

resistencia media al corte (Su), índice de plasticidad (IP) y contenido de agua (w);

de acuerdo a como indica la tabla 2.1:

Tabla Nº 2. 1: Clasificación de los Perfiles de Suelo.

Tipo de

perfil

DESCRIPCIÓN DEFINICIÓN

A Perfil de roca competente Vs ≥ 1500 m/s

B Perfil de roca de rigidez media 1500 m/s >Vs ≥

760m/s

C

Perfiles de suelos muy densos o roca

blanda, que cumplan con el criterio de

velocidad de la onda de cortante, o

760 m/s > Vs ≥ 360

m/s

Perfiles de suelos muy densos o roca

blanda, que cumplan con cualquiera de los

dos criterios

N ≥ 50.0

Su ≥ 100 KPa

6

D

Perfiles de suelos rígidos que cumplan con

el criterio de velocidad de la onda de

cortante, o

360 m/s > Vs ≥ 180

m/s

Perfiles de suelos rígidos que cumplan

cualquiera de las dos condiciones

50 > N ≥ 15.0

100 kPa > Su ≥ 50 kPa

E

Perfil que cumpla el criterio de velocidad de

la onda de cortante, o

Vs < 180 m/s

Perfil que contiene un espesor total H

mayor de 3 m de arcillas blandas

IP > 20

w ≥ 40%

Su < 50 kPa

F

Requieren una evaluación realizada explícitamente en el sitio por un

ingeniero geotecnista. Se contemplan las subclases descritas en la

NEC.

Fuente: NEC – SE – DS, 2015.

Con el objeto de identificar los tipos de suelos que se encuentran presentes en la

ciudad de Quito es necesario revisar el estudio de microzonificación sísmica

realizado por varios autores e instituciones inmiscuidas en el ámbito investigativo.

2.1.2. Estudio de Microzonificación Sísmica de Quito

Resumiendo, los estudios que se han realizado en forma cronológica sobre la

microzonificación sísmica de Quito, se tienen los siguientes:

2.1.2.1. Clasificación de los Suelos EPN 1994

Es el primer estudio realizado por la Escuela Politécnica Nacional durante los años

de 1992 hasta 1994. Este estudio incluyó información sismológica, geológica e

ingeniería de suelos e información verídica de estudios de suelos de Quito

realizados hasta esos años.

Aunque se realizaron perforaciones de hasta 20m no se logró tener certeza del

comportamiento del suelo a profundidades superiores a ese nivel, sin embargo,

permitió dividir la ciudad en tres zonas consideradas de primer orden, como se

muestra en la figura 2.1 y se describe en la tabla 2.2:

7

Figura Nº 2.1: Identificación Primaria por Zonas para la Ciudad de Quito.

Fuente: EPN et al 1994 y 2002.

Tabla Nº 2. 2: Zonificación Primaria de Quito.

ZONA IDENTIFICACIÓN DESCRIPCIÓN

Flancos

Pichincha

F Depósitos aluviales, de cangagua y

cenizas volcánicas

Depósitos

Lacustres

L Antiguos depósitos de ceniza volcánica y

depósitos lacustres superficiales

Cangagua Q Depósitos de cangagua y cenizas

volcánicas

Fuente: EPN et al. 1994.

8

2.1.2.2. Clasificación de los Suelos EPN 2002

Corresponde a la clasificación propuesta por Valverde et al. (Ver Figura 2.2), a

través de espectros de respuesta elástica se extendió el área de estudio de la

investigación anterior (EPN 1994) utilizando las columnas de suelo tipo existentes.

Para su desarrollo partió de los perfiles de suelo establecidos en el Código

Ecuatoriano de la Construcción 2000 validando únicamente los perfiles de suelo

S1, S2 y S3 (Tipos de suelo de la actual normativa ecuatoriana 2015) y excluyendo

el perfil de suelo S4 ante su inexistencia.

Es importante mencionar que para la determinación de los espectros elásticos se

impusieron nueve sismos a escalas de 0.1g a 0.4g. Además, para determinar el

comportamiento a corte de los diferentes tipos de suelo de la ciudad se utilizó el

software computacional SHAKE.

Figura Nº 2. 2: Clasificación de los Suelos de Quito EPN 2002.

Fuente: EPN et al 1994 y 2002.

9

2.1.2.3. Estudio para el Metro de Quito

Como estudio particular pero que es de vital importancia para conocer con mayor

exactitud el tipo de perfil de suelo que se encuentra longitudinalmente en la ciudad

de Quito, se presentan los estudios realizados para el metro de Quito en cada una

de sus estaciones en todo su recorrido, y que de acuerdo a los resultados obtenidos

se pudo evidenciar que las velocidades de onda 𝑉𝑆 sobrepasan los 1000m/s a

profundidades mayores (hasta los 90m), para profundidades medianas la magnitud

de 𝑉𝑆 se encuentra entre los 340 y 450m/s e inferiores presentan 𝑉𝑆 de 180 y 340m/s

(profundidades de 30m) como se indica en la figura 2.3, por lo cual es notable

interpretar que existe roca de rigidez media, roca blanda y suelos rígidos

respectivamente.

Con base en estos estudios el IBC (International Building Code 2003) clasifica a

los suelos en D y C, de los cuales en gran parte el tipo de suelo que gobierna es el

perfil de suelo tipo D como se puede observar en la figura 2.3

Figura Nº 2. 3: Velocidad de la Onda de Corte.

Fuente: Aguiar Falconí R., M.S.Q. 2013, (citado de Peñaherrera 2012).

10

2.1.3. Tipos de Suelos Adoptados para el Estudio

De acuerdo a los suelos establecidos en la Norma Ecuatoriana de la Construcción

2015, estudios de microzonificación sísmica y estudios para el metro de la ciudad,

los perfiles de suelo que denotan mayor presencia en el Distrito Metropolitano de

Quito son los tipos B, C y D, mismos que se diferencian unos de otros presentando

ciertas características descritas en la sección 2.1.4.

2.1.4. Características de los Perfiles de Suelo B, C y D

Con el propósito de identificar la estratigrafía de los suelos adoptados para este

estudio se elabora la tabla 2.3, cuyo resultado fue obtenido de acuerdo a la

compilación de los estudios citados en la sección 2.1.2 e información adicional de

estudios de suelos realizados en algunos sectores de la ciudad, mismos que

permitieron establecer rangos específicos en cuanto a capacidad de carga y

profundidad de cimentación; además del tipo de cimentación recomendada.

Tabla Nº 2. 3: Zonificación Primaria de Quito.

PERFIL TIPOS DE

SUELO

SECTORES CAPACIDAD

DE CARGA

DEL SUELO

PROFUNDIDAD

Y TIPO DE

CIMENTACIÓN

B

Roca sana o

parcialmente

alt.

Gravas

arenosas,

limosas o

arcillosas,

densas y secas.

Arenas densas.

Depósitos de

origen

volcánico.

Suelos

cohesivos

Duros

El Panecillo

Gonzales

Suárez

(Estación

San

Francisco,

Metro de

Quito)

18 – 30 t/m2

1m – 5m

Zapatas Aisladas

Vigas

11

Depósitos de

cangagua y

tobas tipo

arenas

consolidadas.

C

Depósito de

cangagua de

menor espesor

y poco

consolidados.

Arenas

limosas.

Limo de baja

Plasticidad.

El Recreo.

La Alameda

Miraflores

La Vicentina

Chaupicruz

El Condado

10 – 24 t/m2

1m – 5m

Zapatas Aisladas

Vigas

D

Suelos

cohesivos

blandos,

semiblandos,

duros y muy

duros, como:

Arenas

volcánicas.

Gravas poco

consolidadas y

muy

deleznables.

Limos

orgánicos.

Quitumbe.

Zolanda.

Villaflora

El Pintado

La Mariscal

Universidad

Central

La Pradera

La Carolina.

Iñaquito

8 – 20 t/m2

1m – 4.5m

Zapatas Aisladas

Vigas y Losas

Cimentaciones

Profundas con

Pilotes

Fuente: Adaptado y Modificado de Balladares J., Ludeña L. 1990. CEC 2001.

Elaborado: Autores.

2.1.5. Coeficientes de Perfil de Suelo

Corresponden a factores de amplificación dinámica que se encuentran en función

del tipo de suelo y la aceleración máxima en roca esperada por el sismo de diseño,

los cuales se ajustan en función de la zona sísmica establecida en el mapa geofísico

del Ecuador tal y como indica la tabla 2.4. La Norma Ecuatoriana de la

12

Construcción 2015 establece los factores señalados como muestran las tablas 2.5,

2.6 y 2.7 respectivamente:

Tabla Nº 2. 4: Valores del Factor Z en Función de la Zona Sísmica.

Zona Sísmica I II III IV V VI

Valor Factor Z 0.15 0.25 0.30 0.35 0.40 ≥0.50

Caracterización

del Peligro

Sísmico

Intermedia Alta Alta Alta Alta Muy Alta

Fuente: NEC-SE-DS, 2015.

Tabla Nº 2. 5: Coeficiente de Perfil de Suelo Fa.

Tipo de

Perfil del

Suelo

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 0.85

F Véase Tabla 2: Clasificación de los perfiles de suelo y la sección

10.5.4 de la NEC.


Tabla Nº 2. 6: Coeficiente de Perfil de Suelo Fd.

Tipo de

Perfil del

Suelo


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 1.36 1.28 1.19 1.15 1.11 1.06

D 1.62 1.45 1.36 1.28 1.19 1.11

E 2.1 1.75 1.70 1.65 1.60 1.50


10.6.4 de la NEC.


13

Tabla Nº 2. 7: Coeficiente de Perfil de Suelo Fs.

Tipo de

Perfil del

Suelo


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 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00


10.6.4 de la NEC.


La tabla 2.8 muestra en resume los factores de amplificación y comportamiento

dinámico de los perfiles de suelo B, C y D presentes en la Ciudad de Quito.

Tabla Nº 2. 8: Factores de Amplificación por Tipo de Suelo.

Tipo de

Perfil del

Suelo

CARACTERIZACIÓN COEFICIENTE

B

Fa 1.00

Fd 1.00

Fs 0.75

C

Fa 1.20

Fd 1.11

Fs 1.11

D

Fa 1.20

Fd 1.19

Fs 1.28


Elaborado: Autores

Es importante mencionar que la finalidad de identificar los factores de

amplificación dinámica es determinar los espectros de respuesta elástica e inelástica

de aceleraciones para cada perfil de suelo, los cuales se determinan el Capítulo III.

14

2.2. ESTRUCTURAS EXISTENTES EN LA CIUDAD DE QUITO

Con la finalidad de conocer e identificar el número de estructuras que se encuentran

implementadas en el DMQ en los últimos años, se obtuvo información relevante

del número de trámites aprobados y con certificado de conformidad estructural y de

instalaciones eléctricas e hidrosanitaria por parte de la Entidad Colaboradora de

Pichincha CAE – P, para proyectos con número mayor o igual a 4 pisos, el cual

oscila entre 1338 durante los últimos dos años (Ver Anexo A); de los cuales con

relación al tipo de estructura, hormigón armado, mixto y metálico no es posible

identificar ya que no se lleva un registro de este tipo de características, sin embargo

esta información permite evidenciar el crecimiento constructivo que experimenta la

ciudad en sus diferentes zonas.

Por lo cual, de acuerdo a una libre investigación de campo realizada en diferentes

sectores ubicadas en el norte, centro norte y sur de la ciudad, en cuanto a las

edificaciones de mediana altura (4 – 13 pisos) que fue posible evidenciar e

identificar por tipo de estructura como son hormigón armado, mixta, compuesta y

metálica construidos en el año 2015 y en etapa de construcción hasta junio 2016,

actualmente se encuentra tal y como se indica en la tabla 2.9. Además, con respecto

a las características que presentan cada una de ellas se indican durante esta sección.

Tabla Nº 2. 9: Edificaciones Registradas y Clasificadas por Tipo de Estructura en

la Ciudad de Quito, Período 2015 – 2016.

ZONA

DMQ

SECTOR TIPO DE ESTRUCTURA

Hormigón

Armado

Mixta Compuesta Metálica

NORTE

Iñaquito 12 8 2

Pambachupa 5

El Batán 2 3

1

Chaupicruz 1

Cotocollao 1 1

El Condado 5 3

Calderón 3

CENTRO

NORTE

La Colón 3 3

La Pradera 3

Mariscal Sucre 1

1

La Paz 2

La Floresta 2

15

Las Casas 4

La República

2

Rumipamba 2 1

SUR

Villaflora 1

Guajalo 2

Quitumbe 2 1 1

Caupicho 1

Argelia 2

Camal

Metropolitano

1

San Martin 3

Santo Tomas

1

TOTAL 57 23 4 2

Fuente: Autores.

De acuerdo a la información obtenida la mayoría de estructuras obedecen a los tipos

de hormigón armado y mixto, su zona de implantación con gran demanda es el norte

y centro norte de la ciudad.

Cabe señalar que a más de los sistemas estructurales mencionados también existe

la presencia de ciertas edificaciones de estructura compuesta y metálica, como por

ejemplo la construcción de la Plataforma de la Gestión Financiera y el Edificio Los

Sauces (figura 2.4) respectivamente, mismos que se ubican en la zona norte de la

ciudad. Es importante indicar que este estudio no hace alusión en cuento las

estructuras metálicas debido al alto costo del material en el mercado nacional, sin

embargo, constituyen un tipo de estructura muy significativa a futuro.

Figura Nº 2. 4: Edificio de Estructura Metálica.

Fuente: Construcción Edificio Quito Norte. 2014.

16

La figura 2.5 muestra en términos porcentuales el actual crecimiento constructivo

para edificaciones de mediana altura en la ciudad.

Figura Nº 2. 5: Establecimiento Constructivo - Edificaciones Mediana Altura.

Fuente: Autores.

Con respecto al tipo de edificación de acuerdo a la información obtenida en los

diferentes sectores indicados en la tabla 2.9 se puede observar que hasta junio de

2016 existe un total de 86 edificaciones aproximadamente, de las cuales se obtienen

los porcentajes indicados en la figura 2.6.

Figura Nº 2. 6: Tipos de Estructuras Existentes en la Ciudad de Quito.

Fuente: Autores.

0%

20%

40%

60%

80%

100%

NORTECENTRONORTE SUR

54.65%

27.91%

17.44%

PO

RC

ENTA

JE (

%)

ZONAS DE CONSTRUCCIÓN

0%

20%

40%

60%

80%

100%

HORMIGÓNARMADO

MIXTA COMPUESTA METALICA

66.28%

26.74%

4.65% 2.33%

PO

RC

ENTA

JE (

%)

TIPO DE SISTEMA ESTRUCTURAL

17

A continuación, se puntualizan los aspectos más relevantes de los tres tipos de

sistemas observados y se presenta una posible respuesta de su selección para su

implantación; además su análisis se realiza en función de los edificios considerados

de gran importancia en la Ciudad de Quito.

2.2.1. Estructura en Hormigón Armado

Corresponde a un sistema estructural como se muestra en la figura 2.7, resistente

principalmente ante solicitaciones de carga a compresión y tracción, su

combinación entre el hormigón simple y la armadura de acero, garantizan un

sistema seguro y funcional durante su vida útil.

Es indudable que la aplicación de este sistema estructural permanece hasta la fecha

por el buen desempeño, y propiedades que presenta cada elemento y por su mutuo

trabajo a nivel general del sistema.

Figura Nº 2. 7: Estructura de Hormigón Armado (Edificio Hator).

Fuente: Constructora Cevallos, Quito 2015 – 2016.

18

Este tipo de estructuras están compuestas por los siguientes elementos:

2.2.1.1. Losas de Hormigón Armado

Este elemento estructural horizontal por lo general se diseña como macizo o

alivianado en una o dos direcciones, en las edificaciones de altura considerable

(iguales y superiores a 4 pisos) se diseñan con vigas peraltadas.

La figura 2.8 muestra el diseño de losa alivianada más utilizado por los

constructores en la ciudad, sin embargo, es importante mencionar que no es el único

utilizado, existen estructuras con otro tipo de losa como maciza o nervada pero que

lamentablemente no se logró evidenciar.

Figura Nº 2. 8: Edificio de Hormigón Armado con Losa Alivianada.

Sistemas de Losas Alivianadas.

19

Fuente: Edificio en Construcción, Av. Diego de Almagro y Bello Horizonte.

Quito 2016.

2.2.1.2. Vigas de Hormigón Armado

Con respecto a este elemento estructural, por lo general este sistema puede

diseñarse de acuerdo a la forma de su sección, (rectangular, T y doble T), posición

respecto a la losa (vigas descolgadas, planas y de salto), y según el tipo de apoyo

en sus extremos (apoyada, empotrada, continua y en voladizo), en función de lo que

necesite proyectar el sistema.

De acuerdo a los edificios implantados en la ciudad, la mayoría se encuentran

diseñados con vigas rectangulares descolgadas, en cuanto a las estructuras de baja

altura (hasta 3 pisos) la mayoría se encuentran diseñadas con vigas banda.

En la figura 2.9 se muestra los tipos de vigas que se pueden utilizar en edificaciones

de baja, mediana y gran altura.

Figura Nº 2. 9: Tipos de Vigas de Hormigón Armado.

Viga Rectangular. Viga Peraltada. b

h

b

h

LOSA LOSA

20

Vigas en T.

Viga Doble T.

Viga Plana (hasta estructuras de 3 pisos).

Vigas de Salto

Fuente: Medina Sánchez E. 2008 (2da Edición).

La figura 2.10, muestra la disposición losas nervadas y vigas peraltadas en una

edificación.

b

h

b

h

b

h

b

h

LOSA ENTREPISO LOSA ENTREPISO

LOSA ENTREPISO

LOSA ENTREPISO

21

Figura Nº 2. 10: Edificio de Hormigón Armado con Vigas Rectangulares

Descolgadas

Fuente: Edificio en Construcción. Av. Rio Amazonas y la Pinta. Quito 2016.

2.2.1.3. Columnas de Hormigón Armado

Conciernen a los elementos estructurales largos, de longitud intermedia, con carga

excéntrica y cortas con carga excéntrica, son encontrados en los diferentes sistemas

estructurales y pueden ser se sección cuadrada, rectangular, poligonal o circular

como se muestra en la figura 2.11 y en cuanto a la distribución del refuerzo

transversal pueden ser por estribos o zunchos. En las figuras de la sección 2.2 se

puede visualizar la forma geométrica más utilizada en el diseño de columnas.

Figura Nº 2. 11: Columnas según su Sección Transversal.

Cuadrada

22

Rectangular

Circular Poligonal

Fuente: Autores.

2.2.2. Estructura Mixta

Este tipo de estructura resulta de la combinación de elementos estructurales de

hormigón armado y elementos de acero estructural. Especialmente sus vigas

principales, columnas y cimentación se diseñan en hormigón armado, en cuanto a

sus losas e implantación de vigas secundarias cuando se dispone de grandes luces

por cada tablero de losa, generalmente se diseñan con elementos metálicos como

placas colaborantes Deck y perfiles G o W respectivamente.

En la figura 2.12 se puede observar este tipo de sistema estructural.

2.2.2.1. Campos de Aplicación4

Su aplicación se lleva a cabo en múltiples proyectos constructivos tales como

edificios comerciales, industriales, residenciales, almacenes, hospitales, escuelas,

cines, casas individuales y proyectos de remodelación. Sin embargo, estos sistemas

han encontrado su mayor aplicación en edificaciones para oficinas.

4 MENGISTU H. (2014). Structural Behaviour of Composite Slab with High Performance Concretes.

23

Figura Nº 2. 12: Estructura Mixta.

Fuente: Construcción Edificio, Quito. 2014.

Este tipo de sistemas en la Ciudad de Quito ha contribuido significativamente en la

utilización de perfiles de acero y cubiertas metálicas perfiladas en el sector de la

construcción. Haciendo un estudio previo e investigación directa y bibliográfica en

las Tablas 2.10 y 2.11 se indican los principales beneficios y desventajas

respectivamente que trae consigo la utilización del sistema constructivo y sus

principales elementos:

Tabla Nº 2. 10: Beneficios de la Construcción Mixta.

BENEFICIO DESCRIPCIÓN

Menor tiempo de

construcción

Facilidad de instalación

mediante el uso de equipo y

mano de obra; uso como

plataforma de trabajo posterior a

su instalación, requiere un

mínimo de refuerzo en grandes

áreas.

24

Garantiza la seguridad en la

construcción

Su cubierta proporciona una

plataforma segura y puede ser

utilizada como protección para

el personal de trabajo ante caída

de objetos.

Menor peso del sistema

estructural

La utilización de perfiles de

acero y cubiertas metálicas

perfiladas reducen el peso y

tamaño de un sistema

estructural, además es

considerablemente más rígido y

fuerte ante las cargas de servicio.

Ahorro en el transporte Los elementos metálicos pueden

suministrarse fácilmente al lugar

de destino.

Estabilidad estructural Las cubiertas metálicas

perfiladas pueden actuar como

una restricción efectiva lateral de

las vigas, además de redistribuir

las cargas de viento en la etapa

de construcción y actuar como

diafragma cuando se forma la

losa.

Construcción Superficial Menores deflexiones al utilizar

vigas mixtas (hormigón armado

y perfiles de acero), por lo cual

se puede utilizar menores alturas

de piso.

Sostenibilidad Los elementos metálicos pueden

ser reciclados sin perder sus

propiedades.

Fácil instalación de

servicios

Todas las instalaciones pueden

ubicarse con facilidad a través de

suspensiones.

Fuente: Hicks S. Couchman G. Rackham J. 2009, p 2-3.

25

Tabla Nº 2. 11: Desventajas de la Construcción Mixta.

DESVENTAJAS DESCRIPCIÓN

Deformaciones

La flexión en vigas de acero es

directamente proporcional a la

luz y esbeltez que presentan las

mismas.

Baja resistencia ante

aumento de temperatura

En caso de incendio, disminuye

considerablemente su

resistencia.

Sensible a la corrosión

Se origina en elementos

expuestos al exterior,

generalmente causadas por

agentes físicos.

Alto costo Económico

Su costo influye directamente en

la disposición y distribución de

los perfiles (vigas) en cada una

de las losas.

Disponibilidad

De acuerdo al tipo de estructura

a diseñar puede surgir la

posibilidad de importar perfiles

bajo condición de laminado

especial.

Deficiencia en Conexiones

Hormigón - Acero

Correspondiente a las

deficiencias ocasionadas por el

empleo de mano de obra no

calificada.

Alteraciones Mecánicas

Originadas por variaciones de

humedad y temperatura, por

fatiga de los elementos

estructurales.

Fuente: Atapuma M. et al. 2013., LEYTON Alfredo, GALVIS J.

Estos sistemas estructurales están compuestos por los siguientes elementos:

26

2.2.2.2. Losas Mixtas

Elemento estructural de acero – hormigón, consiste en una chapa de acero perfilado,

conectores de corte, malla electro soldada y una capa de hormigón superior que

están interconectados formando un solo elemento (diafragma). Tiene la capacidad

de resistir las fuerzas de corte horizontales y momentos flectores negativos, debido

a la armadura de tracción que genera la cubierta de acero perfilado posterior al

fraguado del hormigón.

La importancia de incluir en este sistema la malla electro soldada o acero de

refuerzo es controlar la contracción y la temperatura de la losa.

En la figura 2.13 se pueden identificar la disposición de estos elementos

estructurales.

Figura Nº 2. 13: Losa Mixta Reforzada con Cubierta de Acero Perfilada.

Fuente: Crisinel and Marimon 2004; Mohammed and Abdullahi 2011;

Construcción Edificio, Quito, 2014.

27

2.2.2.3. Vigas Principales y Secundarias.

La mayoría de construcciones conforman este sistema estructural con vigas

principales de hormigón armado y vigas secundarias utilizando perfiles

estructurales. Sin embargo, existen estructuras que se diseñan montando vigas

principales de acero estructural.

Este tipo de distribución tiene la finalidad de acceder a un sistema rígido que soporte

grandes esfuerzos de compresión y flexión. El objeto de utilizar perfiles

estructurales radica en su gran resistencia a la flexión y transmisión de cargas a los

pórticos a través de sus principales uniones rígidas formadas por vigas y columnas

de hormigón armado.

Las conexiones para conformar el sistema plano generalmente se hacen a través de

soldadura, o sea conectando los perfiles entre si y soldándolos con la armadura de

la viga principal como se muestra en la figura 2.14.

Figura Nº 2. 14: Conexiones Usuales de Viga Acero - Hormigón.

Unión en Viga de Borde y Central

Fuente: Construcción Edificio, Quito, 2014.

28

2.2.2.4. Columnas

Sus secciones y armados dependen de las cargas transmitidas por las losas mixtas

y pueden configurarse como se muestra en las figuras de las estructuras de

hormigón armado. La figura 2.15 presenta una configuración típica de la estructura

mixta en observación.

Figura Nº 2. 15: Estructura Mixta.

Fuente: Edificio en Construcción. Av. E. Alfaro y M. de Jesús. Quito 2016.

2.2.3. Estructura Compuesta

Con el propósito de entender este tipo de estructura, Ibrahim A. (2015) en su

Investigación Behaviour of Open Web Steel Joist in Composite Deck Floor System,

la define como:

29

“Estructura compuesta es cuando más de un material está conectado rígidamente

entre sí para formar un solo cuerpo”

Estos sistemas estructurales permiten interactuar conjuntamente dos o más

materiales constructivos como hormigón, acero de refuerzo y acero estructural, con

la finalidad de soportar las solicitaciones a las cuales se encuentra sometida la

estructura.

Es importante mencionar que la combinación de los diferentes materiales

identificados anteriormente permite incrementar la resistencia de cada elemento

formado y en términos generales la del proyecto estructural. Sin embargo, para

mejorar esta propiedad es conveniente efectuar conexiones eficientes del acero al

hormigón como se muestra en la figura 2.16, ya que es ésta la que permite la

transferencia de cargas y proporciona el comportamiento adecuado de sus

elementos estructurales.

Figura Nº 2. 16: Sistema Compuesto.

Fuente: http://www.ingestructurasdeoccidente.com/s.-compuesto.html.

Como antecedente es posible visualizar este tipo de sistema en el proyecto

denominado Construcción de la Plataforma Gubernamental de la Gestión

Financiera ubicado en la Av. Rio Amazonas y Juan José Villalengua en el DMQ.

30

Los elementos estructurales compuestos que pueden conformar un sistema

estructural de este tipo corresponden a los siguientes:

2.2.3.1. Losas Compuestas

Su diseño y construcción es el mismo que el utilizado en el sistema estructural

mixto, es decir, consisten en la unión de losas mixtas por medio de conectores de

corte a perfiles metálicos (vigas) que se unen mediante conexiones armadas (pernos

de anclaje con placa o soldadas) para conformar el sistema estructural plano.

La figura 2.17 nos muestra la disposición de los elementos para una losa

Compuesta.

Figura Nº 2. 17: Sistema de Construcción con Losa Compuesta.

Fuente: MENGISTU H. 2014. (McGraw-Hill Concise Engineering, 2002).

2.2.3.2. Vigas compuestas

Estos elementos pueden ser diseñados en acero estructural (perfiles laminados), o

dependiendo de las cargas de servicio pueden ser montadas por perfiles de acero

embebidos en hormigón interactuando entre sí.

Generalmente son del tipo W y permiten la transferencia de cargas tal y como se

muestra en la figura 2.18.

31

Figura Nº 2. 18: Vigas Compuestas en Paralelo y Matriz.

Fuente: CHEN W. LIEW R. (2003) fig. 51.14, 51.13.

2.2.3.3. Columnas Compuestas

El American Iron and Steel Institute (AISC), establece que todo miembro

estructural sometido a cargas de compresión, puede considerarse como columna

compuesta, las figuras siguientes muestran configuraciones tipo de sección

compuesta revestida de hormigón o secciones compuestas rellenas de hormigón.

En la figura 2.19, se puede observar la disposición que puede tener una columna

para considerarse como compuesta.

32

Figura Nº 2. 19: Columnas Compuestas Tipo.

Fuente: CHEN W. LIEW R. (2003), fig. 48.37.

En la figura 2.20, durante la etapa de construcción del proyecto mencionado se

muestra la configuración de una columna, la cual utiliza perfiles de acero W

dispuestos simétricamente y embebidos por el hormigón que se fundirá

posteriormente.

Figura Nº 2. 20: Bloque 1. Plataforma Financiera del DMQ.

Distribución de Columnas Compuestas.

(B) Sección Compuesta Revestida de Hormigón.

(A) Secciones Compuestas Rellenas de Hormigón.

33

Detalle de Columna Compuesta.

Fuente: Construcción Plataforma de la Gestión Financiera, Quito 2015.

Entre el beneficio más importante que presentan esta estructura durante la

construcción y posterior a ella es la adaptación del perfil de acero como encofrado

permanente, en donde la columna de acero proporciona rozamiento externo y puede

soportar varios niveles de construcción antes de que se funda el hormigón.

34

2.2.3.4. Conexiones

Para la unión entre elementos estructurales pueden utilizarse cualquiera de los tres

tipos de conexiones, rígidas, semirrígidas y simples de cortante, mismas que están

en función de la transferencia los esfuerzos y pueden utilizar sistemas empernados,

soldadas, o la unión de los dos sistemas.

Conexiones Rígidas o Resistentes a Momento: Transmiten momento

flexionante, fuerza contante y teóricamente evitan rotación relativa entre sus

elementos.

Conexiones Semirrígidas: Transmiten momento flexionante, y originan

rotación relativa entre sus elementos.

Conexiones Simples de Cortante: Transmiten momentos despreciables,

fuerza cortante y originan altos ángulos de rotación.

Independientemente del tipo de conexión que pueda utilizar un sistema estructural,

es importante que garantice la resistencia de los elementos que la componen.

Generalmente en la ciudad estas conexiones se realizan con soldadura, misma que

se verifica a través de los ensayos especificados en las normas internacionales

aplicables al país. En la figura 2.21 se observa la conexión viga – columna utilizada

en el proyecto de construcción.

Figura Nº 2. 21: Conexiones Viga – Columna.

Fuente: Construcción Plataforma de la Gestión Financiera, Quito 2015.

35

Debe considerarse que para el diseño de un sistema estructural de acuerdo a su

ubicación geográfica es necesario determinar las características del suelo presente.

2.3. SISTEMAS ESTRUCTURALES EXISTENTES EN QUITO.

El sistema estructural de un Edificio se define como la parte esquelética que recibe,

soporta y transfiere todas las cargas permanentes y vivas que actúan sobre él a través

de sus elementos como losas, vigas y columnas para distribuirlos hacia el terreno.

Parte importante de un sistema estructural es su geometría ya que de ésta depende

la transmisión de las fuerzas horizontales y gravitacionales en sus diferentes

elementos y en forma general determinan el comportamiento estructural al paso del

tiempo.

Es importante mencionar que un sistema estructural debe ser capaz de soportar

posibles modificaciones en sus espacios, o en cuanto a cargas vivas se aceptan

pequeñas variaciones en el tiempo ya que de alguna manera están consideradas

dentro de los parámetros de diseño, pero su uso debe permanecer invariable (no

puede cambiar), debido a que su dimensionamiento y diseño se encuentra en su

función, caso contrario se tendrá una estructura subdimensionada o

sobredimensionada.

En cuanto a los sistemas estructurales encontrados dentro y fuera de la ciudad se

presentan los siguientes:

Sistemas estructurales aporticados

Sistemas de muros de corte.

Sistemas de muros portantes

Sistemas de aislamiento sísmico.

2.3.1. Sistemas Estructurales Aporticados

Las figuras 2.22 y 2.23 permite visualizar este tipo de sistema estructural que a su

vez se lo define como un conjunto de marcos ortogonales en sus dos direcciones

del plano X y Y, los cuales se forman por la conexión de vigas y columnas a través

de nudos rígidos.

36

Estructuralmente su funcionamiento se basa en la trasmisión de cargas axiales y

momentos flectores por parte de los nudos hacia las columnas posiblemente

presentando adecuada resistencia vertical, sin embargo, presenta baja resistencia y

rigidez a fuerzas horizontales, provocando en el sistema esfuerzos de corte de gran

magnitud.

Figura Nº 2. 22: Sistema Aporticado.

Fuente: Construcción de Edificio en la Zona Centro Norte. Quito 2016.

Actualmente con el objeto de disipar la energía sísmica se ha contemplado el diseño

mediante formaciones de rótulas plásticas mediante, en donde se realiza el chequeo

de las conexiones viga – columna, es decir originar componentes de ductilidad en

los extremos de las vigas que eviten el colapso de la estructura ante eventos

inesperados y a su vez permitan salvaguardar la vida de las personas.

Por lo tanto, aunque corresponde a un sistema de gran permanencia en la ciudad

principalmente en construcciones menores e iguales a tres pisos, es necesario

37

identificarlo como un sistema de bajo desempeño estructural ya que constituye una

estructura flexible y no resistente a carga lateral. Este tipo de sistema no se

recomienda en regiones que presentan alto riesgo sísmico, como en este caso las

regiones costa y sierra del país.

Figura Nº 2. 23: Sistema Aporticado de un Edificio en Quito.

Fuente: Construcción de Edificio en la Zona Centro Norte. Quito 2016.

2.3.2. Sistema de Muros de Corte

Este tipo de sistema se origina por la combinación de pórticos estructuralmente

resistentes y muros de hormigón armado dispuestos ya sea perimetralmente o

internamente. Generalmente cumplen la filosofía de diseño sismo resistente, es

decir, técnicamente presentan resistencia a cargas de origen gravitacional como

horizontal, control de derivas de piso inferiores a las admisibles y permiten una

adecuada disipación de energía de deformación inelástica, en cuanto a medidas de

protección tienen por objeto salvaguardar la vida de sus ocupantes.

Con respecto a la disposición de los muros en la configuración estructural debe

cuidarse de situarlos en cuyas zonas no comprometan los espacios arquitectónicos

38

disminuyendo su área útil y en dirección que contrarreste el efecto sísmico, además

evitar que su ubicación genere efectos torsionales.

De acuerdo a varios autores es importante mencionar que en base a la disposición

simétrica horizontal y vertical del muro de corte, éste tiene la capacidad de absorber

las fuerzas sísmicas, aproximadamente en el orden del 75 por ciento en sus dos

sentidos direccionales.

En las edificaciones construidas durante los 2 últimos años en la Ciudad de Quito,

es posible evidenciar este tipo de sistema, principalmente en edificaciones de

mediana altura como se observa en la figura 2.24. Además, es importante mencionar

que Quito al ser una ciudad de alto peligro sísmico sus futuras edificaciones

deberían construirse adoptando este tipo de sistema estructural.

Figura Nº 2. 24: Distribución de los Muros de Corte.

39

Fuente: Construcción del Proyecto Plaza Colón y Edificio de Estacionamientos.

Quito 2016.

En cuanto a las edificaciones de menor altura este tipo de sistema no se encuentra

inmiscuido en ninguna, pero considerando su buen desempeño estructural es

imprescindible adoptar este u otro sistema constructivo.

Entre las ventajas constructivas que presenta dicho sistema se encuentran las

siguientes: sirve de soporte a los elementos estructurales y protege a los elementos

no estructurales de la edificación, evita las fallas por patologías estructurales

principalmente originadas por defecto e impide desplazamientos laterales

excesivos.

El edificio tipo tomado como objeto de este estudio está conformado por este tipo

de sistema, en referencia a los planos arquitectónicos existen dos muros de corte,

uno se encuentra ubicado en las escaleras formando geométricamente una C y el

otro se encuentra en la zona del ascensor obteniendo la misma forma y van desde

el N – 14.40 hasta el N + 28.80 como se muestra en la figura 2.25. En cuanto a su

ubicación, se encuentran en la parte interior de la estructura rigidizando la dirección

más desfavorable de su configuración estructural.

40

Figura Nº 2. 25: Distribución de los Muros de Corte en el Proyecto.

Fuente: Autores.

2.3.3. Sistemas de Muros Portantes

Este tipo de sistema estructural no muy común en la ciudad constituye un sistema

sismo resistente de configuración geométrica liviana compuesto por paredes con

malla electro soldada y hormigón simple o muros de mampostería confinada; su

adaptación principalmente se lleva a cabo en cuyas regiones que presentan alto

peligro sísmico, en donde las estructuras manifiestan mayor vulnerabilidad o

susceptibilidad ante efectos sísmicos que pueden originarse de forma inesperada y

provocar graves daños a elementos estructurales y no estructurales expuestos,

incitando a la pérdida de vidas humanas.

2

C

D

2

D

5 5

B

4 4

C

3

B

3

MURO

MURO

MURO

MURO

41

En la figura 2.26 se puede observar las características de este tipo de sistema.

Figura Nº 2. 26: Sistema con Paredes Estructurales.

Fuente: Edificio en Construcción en El Batán. Quito 2016.

Su diseño alternativo tiene la finalidad de impedir el colapso prematuro de la

edificación cuando se somete a fuerzas sísmicas laterales y gravitacionales ya que

las transmite hacia sus elementos estructurales principales (losas, vigas, columnas,

y muros), permitiendo disipar la energía, originar deformaciones que se mantengan

dentro del rango de la deriva máxima (a nivel nacional la establecida por la NEC

2015), retardo en el origen de fallas estructurales y garantía de un adecuado

comportamiento y estabilidad del edificio.

2.3.4. Sistemas de Aislamiento Sísmico

Corresponden a sistemas estructurales que utilizan dispositivos de protección

sísmica que generalmente pueden ser aisladores y disipadores de energía, los cuales

42

se ubican interconectando la subestructura y superestructura, constituyendo un

sistema sismo resistente. Para edificaciones de mediana altura (7 - 15 pisos)

principalmente se recomienda el uso de dispositivos de aislación sísmica, mientras

que para edificaciones de gran altura (más de 15 pisos) lo más óptimo es utilizar

disipadores de energía, su diferencia radica especialmente en su funcionamiento y

desempeño con respecto a la altura de la edificación.5

Considerando que la superestructura corresponde a todos los elementos

estructurales situados sobre la cimentación, la aplicación de aisladores sísmicos

tiene por objeto aislar la superestructura del suelo protegiéndola ante eventuales

fenómenos sísmicos que pueden originarse de forma inesperada. La figura 2.27

muestra este tipo de dispositivo aplicado a una construcción en la Provincia de

Pichincha.

Figura Nº 2. 27: Sistema de Aislamiento Sísmico.

Fuente: Nuevo Centro de Investigación ESPE. Sangolquí 2016.

5 SIRVE S.A. (2013) Sistemas de Protección Sísmica.

43

Como se pudo evidenciar en la figura 2.27 en los últimos años existe la aplicación

de éste sistema constructivo a nivel nacional, esto con el objetivo de absorber las

deformaciones, proteger la estructura ante impactos sísmicos de gran magnitud

aproximadamente en el orden del 70% al 90% y mejorar su comportamiento

sísmico en base a la capacidad de amortiguamiento de dicho sistema de protección.

2.4. PATOLOGÍAS POR DEFECTO EN EDIFICACIONES DEL DMQ

Son consideradas por varios autores como el reflejo de la vulnerabilidad que

presenta una estructura ante efectos naturales agresivos como los denominados

sismos.

En este estudio únicamente se analizan las patologías estructurales más comunes

que se presentan en la ciudad, es decir, aquellas que íntimamente se encuentran

relacionadas a las características de la estructura tal y como se indica en la figura

2.28.

Figura Nº 2. 28: Patologías por Defecto.

Elaborado: Autores.

Es evidente que el empleo de materiales incompatibles no es posible evidenciarlo a

simple vista, sin embargo, en cuanto al diseño estructural y distribución de

elementos estructurales inadecuados es posible observarlos en varios tipos de

construcciones presentes en la Ciudad de Quito tal y como se indica en las secciones

Patologías por

Defecto

Empleo de Materiales

IncoMPatibles

Mala Concepción

Arquitectónica

Inadecuado

Diseño Estructural

Construcción mal Elaborada

44

2.4.1, 2.4.2 y 2.4.3. Es importante mencionar que estos defectos pueden ser

visualizados en mayor porcentaje en edificaciones de tipo informal.

2.4.1. Columna Corta

Esta patología se presenta en múltiples construcciones principalmente donde se

ubican las ventanas, ya que de acuerdo a la disposición continua de la mampostería

al lado de las columnas se forma una disminución de la longitud efectiva de las

mismas, originando lo que se conoce como columna corta; sin embargo, puede ser

evitada aislando la mampostería de la estructura.

En la ciudad de Quito existen estructuras de altura considerable que muestran este

tipo de patología, sin embargo, como ya se mencionó la mayor cantidad de

construcciones con este problema son las denominadas informales, es decir,

aquellas que se construyeron sin supervisión de un profesional responsable.

Un claro ejemplo de columna corta se observa en la figura 2.29 en donde se puede

identificar edificaciones de mediana altura construida y en etapa de construcción

que podrían ser vulnerables ante efectos severos de sismo.

Figura Nº 2. 29: Formación de Columna Corta.

Fuente: Edificio Existente y en Etapa de Construcción. Quito 2016.

45

Cabe mencionar que a pesar de que un sistema estructural presente una

configuración geométrica regular como se observa en la estructura de la figura 2.29

la mala disposición de la mampostería transforma la estructura en sensible a efectos

naturales desafortunados, ya que son en estas regiones (columnas cortas) en donde

se generan grandes concentraciones de esfuerzos cortantes, provocando la falla de

la columna y en muchos casos el probable colapso de la estructura.

Una de las medidas que se adoptado para evitar este problema en las edificaciones

se muestra en la figura 2.30, que consiste en desvincular las columnas de las paredes

mediante voladizos de luces pequeñas. Cabe indicar que al disponer de paredes

frágiles es indispensable que éstas se construyan garantizando su permanencia en

la estructura, evitando su desvinculación de la misma tras los efectos sísmicos.

Figura Nº 2. 30: Alternativa para Evitar Columna Corta.

Fuente: Edificio en Construcción, Av. Diego de Almagro y Bello Horizonte.

Quito 2016.

Como alternativa constructiva si no es posible evitar este tipo de patología es

necesario identificar las zonas críticas y configurar el acero transversal de tal forma

que evite la presencia de este tipo de patología en las columnas.

46

2.4.2. Piso Blando

Se forma cuando existen variaciones de rigidez lateral en un piso o pisos respecto

a otros en una misma edificación, esto se evidencia principalmente cuando en un

determinado piso se levanta mayor cantidad de mampostería o se utiliza material de

diferente rigidez respecto a otro.

En diferentes estructuras de la ciudad se pueden observar edificaciones que

presentan este tipo de patología, misma que se considera como estructural debido a

que afecta exclusivamente a la edificación en caso de producirse un sismo.

Además, como se muestra en la figura 2.31, las plantas bajas son el caso típico

donde se encuentran y visualizan con mayor claridad.

Figura Nº 2. 31: Formación de Piso Blando Caso I.

Fuente: Edificio Existente. Quito 2016.

Considerando que la planta baja se la utiliza como área de recepción, parqueadero

o con otra finalidad y requiere de grandes espacios, la estructura mostrada en la

figura 2.32 corresponde un tipo de configuración estructural encontrada en la

47

ciudad. En cuanto a construcciones de menor altura especialmente del tipo informal

su presencia es mucho mayor y si a éstas se añade que utilizan sistemas aporticados

con vigas banda, es evidente que durante un sismo su puede ser probable ya que

estructuralmente están originando en su parte blanda (base de la estructura)

momentos de gran magnitud que generen grandes fallas en sus elementos verticales

(columnas), principalmente en el pie y en el extremo superior de los mismos.

Figura Nº 2. 32: Formación de Piso Blando Caso II.

Fuente: Construcción de Edificio. Quito 2016.

De acuerdo a observaciones realizadas es necesario manifestar que debe evitarse

este tipo de patología desde la configuración arquitectónica, teniendo en cuenta los

criterios de funcionamiento estructural, además de adoptar métodos constructivos

que permitan uniformizar el sistema rígidamente, o en su defecto adoptar un modelo

que cause daños mínimos en elementos no estructurales sin causar daño en

elementos estructurales.

48

2.4.3. Piso Débil

Corresponde a otro tipo de patología estructural, que se presentan cuando existen

variaciones de resistencia de un piso con respecto a los pisos superiores; además

guarda cierta similitud con la patología anterior (piso blando) ya que analiza la

resistencia lateral entre pisos.

A pesar de que un piso débil se ubica en la planta baja de una construcción, existen

un gran número de autoconstrucciones en las zonas norte y sur de Quito que

caracterizan esta patología tal y como se identifica en la figura 2.33, en donde

utilizan distribuciones estructurales muy peculiares con elementos verticales de

sección mínima que soportan y transmiten cargas de magnitud considerable de

elementos superiores, como en este caso las losas accesibles; en cualquiera de los

casos debe evitarse su construcción ya que su resistencia ante efectos sísmicos

resulta altamente insuficiente.

Figura Nº 2. 33: Formación de Piso Débil.

Fuente: Autoconstrucciones Zona Sur. Quito 2016.

Los casos típicos en los que se puede presentarse este problema son las

irregularidades en elevación, generalmente cuando existen discontinuidades de

acero de refuerzo, reducción brusca de sección en columnas, o en su defecto consten

49

de variación de resistencia entre elementos estructurales horizontales y verticales

(figura 2.33) entre las más importantes.

2.4.4. Configuración Estructural

Es la distribución geométrica dispuesta tanto en planta como en elevación de

elementos estructurales (losas, vigas, columnas, muros de corte, otros) y no

estructurales (mamposterías) en una edificación.

La presencia de esta patología principalmente ocurre cuando se tiene una mala

concepción arquitectónica de la estructura, lo cual origina diseños inapropiados que

impiden el buen funcionamiento de la misma; entre las formas de diseño en planta

más comunes que se presentan son de tipo L, las que presentan grandes

concentraciones de esfuerzos en las zonas de unión donde se carece de juntas

constructivas. En cuanto a elevación generalmente existen variaciones de masa en

diferentes niveles de pisos, en algunos casos dichas discontinuidades tienen el

siguiente efecto:

Según Astorga y Rivero (2009)

“Aumentan la susceptibilidad al volcamiento e incrementan y redistribuyen

los esfuerzos sobre los distintos elementos estructurales”.

En la ciudad es posible visualizar la presencia de este tipo de patología en

edificaciones de mediana altura construidas y en etapa de construcción, las figuras

2.34, 2.35 y 2.36 son una muestra de ello; en donde es posible observar diferentes

configuraciones estructurales que presentan cierta peculiaridad, principalmente en

estructuras de tipo informal las cuales pueden presentar un alto grado de

vulnerabilidad sísmica.

50

Figura Nº 2. 34: Irregularidad en Elevación.

Fuente: Viviendas Informales en Zona Norte. Quito 2016.

Figura Nº 2. 35: Irregularidad en Planta y Elevación.

Fuente: Construcción Edificio en Zona Centro Norte. Quito 2016.

51

Figura Nº 2. 36: Irregularidad en Elevación.

Fuente: Vivienda Informal en Zona Norte. Quito 2016.

El Ecuador y específicamente la ciudad de Quito al encontrarse ubicados en una

zona de alto peligro sísmico es importante evitar este tipo de patología o en su

defecto llevar un riguroso control de los efectos que puede originar su permanencia,

esto con el objeto de evitar que en el piso o pisos más desfavorables se puedan

originar una falla parcial o total y provoque el colapso de la estructura.

Una adecuada distribución y disposición de los elementos estructurales en planta y

elevación se logra evitando cambios bruscos de secciones en sus elementos,

colocando juntas de construcción que permitan la libre vibración entre edificios

contiguos y evitar concentraciones de masa en pisos superiores al nivel cero,

siempre teniendo presente que el efecto sísmico en alturas superiores es mayor;

además una buena distribución arquitectónica ayuda a la disminución de los efectos

de torsión en planta y desplazamientos en elevación.

Es importe tener en cuenta que además de las patologías citadas, existen otros tipos

de defectos estructurales que normalmente se encuentran íntimamente relacionados

con el diseño y construcción y que necesariamente deben evitarse, éstas se

identifican de acuerdo a la figura 2.37.

52

Figura Nº 2. 37: Defectos Estructurales Presentes en Edificaciones de Quito.

Fuente: Adaptado de Astorga A., Rivero P. 2009. Edif. Compañía de Seguridad

Privada. Quito 2016.

Elaborado: Autores.

2.5. FILOSOFÍA DEL DISEÑO SISMO RESISTENTE

El diseño sismo resistente tiene por objetivo salvaguardar la vida de los ocupantes

de una edificación, asegurar la continuidad de los servicios básicos y minimizar los

daños de las estructuras ante un sismo.

Cabe señalar que no se puede dar protección completa ante todos los sismos, ya que

no sería técnica ni económicamente factible, pero si se debe asegurar que los

ocupantes de una edificación, en caso de un sismo severo, tengan tiempo de

desalojar la edificación antes que ésta colapse.

Además, es importante tener en consideración que todo tipo de estructuras frente a

efectos de sismos moderados pueden presentar varios daños, independientemente

del tipo de sistema estructural que utilice, ya que ante dicho efecto los daños que se

presentan en las edificaciones generalmente están en función del desplazamiento de

entrepisos; sin embargo, estos daños deben siempre de permanecer dentro de los

límites aceptables de seguridad.

Inadecuada Configuración

Estructural

• Distribución inapropiadade Cargas

• Suceptibilidad a Torsión

• Excesiva Flexibilidad

53

De acuerdo a la Norma Ecuatoriana de la Construcción 2015, Capítulo de Peligro

Sísmico, sección 4.2 Filosofía de diseño sismo resistente, esta filosofía de diseño

se consigue diseñando la estructura para que:

Tenga la capacidad para resistir las fuerzas especificadas por esta norma.

Presente las derivas de piso, ante dichas cargas, inferiores a las admisibles.

Pueda disipar energía de deformación inelástica, haciendo uso de las

técnicas de diseño por capacidad o mediante la utilización de dispositivos

de control de sismo.

54

3. CAPÍTULO III

ANÁLISIS Y DISEÑO DEL EDIFICIO ANTE DIFERENTES

CONDICIONES ESTRUCTURALES Y DE PERFIL DE SUELO

Para realizar el diseño óptimo de cada sistema estructural se cuenta con información

previa disponible, sin la finalidad de la construcción, el tipo de ocupación de la

estructura en sus diferentes áreas por cada nivel de piso, las mismas que

contribuirán a determinar las cargas de servicio, pre dimensiones de sus elementos

horizontales y verticales y en forma aproximada el peso de la estructura de cada

uno de los sistemas mediante la aplicación de los códigos y normativas vigentes en

el país.

3.1. ANÁLISIS PRELIMINAR DEL PROYECTO

3.1.1. Ubicación del Proyecto

Geográficamente el proyecto tipo se encuentra ubicado en el sector de la Pradera

en las calles Mariano Acosta y Nueve de Octubre en la ciudad de Quito, Provincia

de Pichincha, como se indica en la figura 3.1.

3.1.2. Proyecto Arquitectónico

En cuanto a la distribución de espacios internos, la edificación guarda cierta

peculiaridad en su diseño, ya que será utilizada exclusivamente para consultorios

médicos, (Ver Anexo B); además, su viabilidad se lleva a cabo ya que actualmente

en el sector de la Pradera existen pocos establecimientos de salud que brindan

atención y servicio a la ciudadanía.

Es importante mencionar que los planos arquitectónicos corresponden al

anteproyecto del edificio y que previa a la ejecución del proyecto se necesita la

aprobación por parte del Colegio de Arquitectos de Pichincha.

55

Además, al ser un anteproyecto en el futuro posiblemente se realicen ciertas

modificaciones, sin embargo al tratarse éste de un estudio netamente académico,

para la modelación y diseño se emplea dicha geometría que servirá de base para el

estudio.

Figura Nº 3. 1: Ubicación del Edificio.

Fuente: Autores.

Los planos arquitectónicos del proyecto Centrum Curie permiten hacer una breve

revisión de la geometría que tiene el sistema estructural, es así como se identifican

la forma y las áreas destinadas tanto a consultorios médicos y aparcamiento en sus

diferentes niveles de piso.

Geométricamente el proyecto se encuentra distribuido como se indica en la tabla

3.1:

Tabla Nº 3. 1: Distribución y Usos del Edificio.

PLANTA NIVEL (m) DESCRIPCIÓN ÁREA (m2)

Subsuelo 5

Subsuelo 4

N-14.40

N-11.52

----

----

56

Subsuelo 3

Subsuelo 2

Subsuelo 1

N-8.64

N-5.76

N-2.88

Parqueaderos ----

----

----

Planta Baja

N+0.00

Vestíbulo

Local Comercial

Consultorio 1

Terraza Accesible 1

Consultorio 2

Terraza Accesible 2

75.23

30.99

47.48

9.39

70.53

20.77

Planta 2

Planta 3

Planta 4

Planta 5

Planta 6

Planta 7

Planta 8

Planta 9

N+2.88

N+5.76

N+8.64

N+11.52

N+14.40

N+17.28

N+20.16

N+23.04

Consultorio 3-7-11-

15-19-23-27

Consultorio 4-8-12-

16-20-24-28

Consultorio 5-9-13-

17-21-25-29

Consultorios 6-10-

14-18-22-26-30

Área de Acceso

24.38

31.52

31.07

20.87

45.03

Planta Terraza

N+25.92

Terraza Accesible 1

Área de Acceso

Sala Copropietarios

Terraza Accesible 2

Oficina

Administración

10.85

44.40

30.94

58.77

7.74

Fuente: Planos Arquitectónicos.

3.1.3. Configuración en Planta

Los diferentes niveles de piso tipo del sistema estructural no presentan cambios que

deban ser considerados, es decir únicamente existe un diseño típico para las nueve

57

MURO I MURO II

plantas altas de la edificación (figura 3.2); en cuanto a la planta baja, la presencia

de irregularidades en su losa de entrepiso es suficientemente notoria (figura 3.3), su

estudio se fundamenta en lo establecido en la tabla 13: Coeficientes de irregularidad

en planta, en la sección 5.2.3 irregularidades y coeficientes de configuración

estructural de la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC – SE – DS), en donde

de acuerdo al análisis estructural en planta realizado, el proyecto estructural en

estudio corresponde a dicha tipología de irregularidad.

Figura Nº 3. 2: Configuración Planta Tipo N+2.88 a N+25.92.


B C D

B C D

5

4

3

2

5

4

3

2

58

MURO I MURO II

Figura Nº 3. 3: Configuración Losa Entrepiso N +0.00.


Es importante mencionar que una de las consideraciones fundamentales para

garantizar un comportamiento eficiente de la estructura ante un evento sísmico es

este tipo de regularidad.

A

6

5

4

3

2

1

B C D E

6

5

4

3

2

1

A B C D E

59

La NEC en su capítulo de peligro sísmico recomienda las configuraciones

estructurales que se indica en la tabla 3.2:

Tabla Nº 3. 2: Configuraciones Estructurales Recomendadas - NEC 2015.

Fuente: NEC-SE-DS.

3.1.4. Configuración en Elevación

El diseño de un sistema estructural en elevación geométricamente debe ser el

recomendado en la tabla 3.2, caso contrario se determina su respectivo coeficiente

de irregularidad.

Para identificar si la geometría del sistema estructural es regular o irregular en

elevación, es imprescindible tomar en cuenta las consideraciones de la Tabla 14:

Coeficientes de irregularidad en elevación, en la sección 5.2.3 irregularidades y

coeficientes de configuración estructural de la NEC-SE-DS.

60

Figura Nº 3. 4: Irregularidad Geométrica Corte C – C.

Elaborado: Autores.

Para la edificación:

𝑎 > 1.3𝑏

De acuerdo a la NEC-SE-DS Peligro Sísmico: Diseño Sismo Resistente:

“La estructura se considera como irregular cuando la dimensión en planta del

sistema resistente en cualquier piso es mayor que 1.3 veces la misma dimensión de

un piso adyacente, exceptuando el caso de los altillos de un solo piso”.

En función de las especificaciones señaladas el sistema estructural corresponde a

una estructura irregular en elevación como puede observarse en la figura 3.5 y por

ende el coeficiente de irregularidad en el mismo sentido corresponde al indicado en

la Norma Ecuatoriana de la Construcción.

61

Figura Nº 3. 5: Configuración en Elevación Corte C– C.


3.1.5. Propiedades de los Materiales a Utilizar

A continuación, se especifican las propiedades de los materiales que se utilizarán

durante el pre-diseño, modelación y diseño de los dos sistemas estructurales

posteriormente analizados en el software computacional ETABS V15.0.0.

N±0.00

N+2.88Piso 1

Planta Baja

N+5.76Piso 2

N+8.64Piso 3

N+11.52Piso 4

N+14.40Piso 5

N+17.28Piso 6

N+20.16Piso 7

N+23.04Piso 8

N+25.92Piso 9

N+28.80Piso 10

N-2.88Subsuelo 1

N-5.76Subsuelo 2

N-8.64Subsuelo 3

N-11.52Subsuelo 4

N-14.40

C C CCC C

3 4 521 6

62

3.1.5.1. Hormigón

Para los elementos horizontales y verticales del sistema en hormigón armado se

utiliza hormigón con una resistencia a la compresión de 24 MPa y un 𝐸𝑠 =

13500√𝑓𝑐′ (𝑒𝑛 𝐾𝑔/𝑐𝑚2). Con respecto a la resistencia a la tracción se toma el

10% de la resistencia a la compresión, misma que para este caso corresponde a 2.4

MPa.

Para los elementos del sistema estructural mixto que requieren de hormigón se

utilizan los mismos valores especificados.

3.1.5.2. Acero de Refuerzo

Todos los elementos estructurales que necesiten de este material se diseñan con

varillas de acero del tipo corrugado con límite de fluencia de 420MPa, para los dos

sistemas constructivos.

Además, con respecto al acero de Refuerzo Transversal tanto las vigas como las

columnas se diseñarán con estribos de diámetro mínimo de 10 mm con límite de

fluencia de 420MPa

3.1.5.3. Perfiles Metálicos

Para conformar la estructura mixta se dispone de perfiles laminados IPE laminados

en base a las especificaciones ASTM A 36. Además, su límite de fluencia es de 235

MPa.

3.1.5.4. Placa Colaborante (Deck)

Se utiliza de acuerdo a disponibilidad en el mercado nacional, cumpliendo con los

requisitos estipulados en la Norma NTE INEN 2397 - Placa colaborante de acero,

Requisitos y métodos de ensayo.

3.1.6. Estructura de Hormigón Armado

Los elementos del sistema estructural de hormigón armado tales como losa, vigas

y columnas se pre dimensionan siguiendo las siguientes consideraciones:

63

3.1.6.1. Predimensionado de Losas

Para el cálculo del espesor de la losa, se calcula el valor de αfm, que determina el

espesor de una losa maciza, según el ACI 318-14.

Si 0.2 < αfm ≤ 2, el espesor de la losa se calcula con la ecuación:

Si αfm > 2, el espesor de la losa se calcula con la ecuación:

Donde:

h= Espesor de la losa

ln= Longitud mayor de un panel

fy= Esfuerzo a la fluencia del acero

= Relación entre las dimensiones larga y contar de un panel

αfm= valor promedio de los valores de α para un panel.

El valor de αfm para este caso particular es de 0.727, obteniéndose una altura de

losa maciza de 12.99 cm, razón por la cual se adopta una losa alivianada con altura

de 20cm, conformada por una loseta de recubrimiento de 5 cm y nervios de 10cm

de ancho, tal y como se muestra en la figura 3.6.

Figura Nº 3. 6: Conformación de la sección de Losa.

ℎ =𝑙𝑛 (0.8 +

𝑓𝑦1400

)

36 + 5𝛽(𝛼𝑓𝑚 − 0.2)

ℎ =𝑙𝑛 (0.8 +

𝑓𝑦1400)

36 + 9𝛽

64

hLosa = 20 cm > hmin. losa

Por lo tanto:

hLosa adop. = 20 cm

Es importante tener en cuenta que la altura equivalente de la losa alivianada

adoptada que trabaja a compresión es de 14.50cm, la misma que se comprueba con

los requerimientos del ACI 318-14 para losas bidireccionales. (VER ANEXO C)

3.1.6.2. Condiciones de Cargas

El término carga básicamente está referido a la acción directa de una o un conjunto

de fuerzas aplicadas en cada uno de los elementos que conforman el sistema

estructural, sus unidades se encuentran expresadas en el Sistema Internacional y

pueden disponerse en unidades fuerza.

De acuerdo a la NEC – SE – CG: Cargas (No Sísmicas), sección 2.1, las cargas en

función de su naturaleza de aplicación que debe soportar la estructura durante su

vida útil pueden clasificarse de la siguiente manera:

Permanentes

Variables

Accidentales

Además, para el cálculo y diseño de sistemas estructurales las cargas que deben

considerarse son:

Cargas Permanentes (cargas muertas mínimas en particular)

Cargas Variables (cargas vivas, viento y granizo)

5

15

40 405

10101010 40

65

Carga Muerta (D)

Las cargas muertas o permanentes son todas aquellas cargas que provienen de

enlucidos, pisos, mamposterías, instalaciones y otros, además del peso propio de

todos los elementos que conforman el sistema estructural.

Carga Viva (L)

Este tipo de carga está en función de la ocupación a la que está destinada la

edificación, normalmente su estado es inconstante, es decir, varían en el tiempo su

posición y magnitud. Para el diseño de estructuras la Norma Ecuatoriana de la

Construcción en su sección 4.2. Tabla 9 del Capítulo Cargas Sísmicas, establece

sobrecargas mínimas uniformemente distribuidas Lo y concentradas Po.

Carga de Viento (W)

Es la fuerza de viento aplicada sobre los sistemas estructurales, su magnitud es

proporcional a la altura de la edificación y ubicación geográfica. En sistemas

estructurales esbeltos las cargas de viento pueden originar grandes presiones.

Carga de Sismo (E)

Se considera como carga sísmica o accidental a las fuerzas inerciales producto del

movimiento del suelo en la base de la estructura.

3.1.6.3. Cargas Utilizadas en el Modelo

Su determinación se lleva a cabo considerando que éstas actúan en un área de 1m2,

y en función de los materiales de construcción que conforman el sistema estructural.

La Norma Ecuatoriana de la Construcción en su capítulo Cargas (No Sísmicas),

sección 4.1 Cargas muertas: pesos de los materiales, tabla 8, establece valores de

peso unitario para los materiales de uso más frecuente.

Las tablas 3.3 y 3.4, detallan los pesos de los materiales de construcción a utilizarse

y la modulación de cargas para 1m2 respectivamente, mientras que en la tabla 3.5

se puntualiza las cargas de servicio en función del uso de los niveles superiores al

N+0.00.

66

Tabla Nº 3. 3: Pesos Unitarios de Materiales de Construcción.

MATERIAL PESO UNITARIO

(t/m3)

Hormigón Armado 2.40

Bloque Hueco de Hormigón Alivianado 0.85

Enlucidos 2.20

Fuente: NEC-SE-CG.

Tabla Nº 3. 4: Modulación de Cargas por m2 de Losa.

DESCRIPCIÓN CARGAS (t/m2)

Hormigón 0.293

Bloque Hueco de Hormigón

Alivianado

0.109

TOTAL P.P.L. 0.402

Elaborado: Autores.

Tabla Nº 3. 5: Cargas en Función del Uso, Niveles Superiores al N+ 0.00.

CARGAS

(t/m2)

LOSA DE

ENTREPISO

CUBIERTA

P.P.L. 0.402 0.402

Enlucido 0.044 0.044

Cerámica 0.020

Mampostería 0.200

Instalaciones 0.025 0.025

Cielo Raso 0.020 0.020

WD 0.711 0.491

WL 0.240 0.100

WD + WL 0.951 0.591

Elaborado: Autores.

67

L

Li Ld B

Es importante mencionar que la tabla 3.5 muestra el cálculo de la carga en

condiciones de servicio para la losa tipo correspondiente a los niveles N+2.88 hasta

el N+25.92 del proyecto en estudio, con la cual únicamente se pre dimensiona las

vigas en función de la luz entre apoyos y sus áreas cooperantes.

3.1.6.4. Predimensionado de Vigas

Para el pre dimensionado de estos elementos horizontales se considera los

siguientes materiales de construcción:

𝑓𝑐′ = 24 𝑀𝑃𝑎

𝑓𝑦 = 420 𝑀𝑃𝑎

En la figura 3.7, se detalla la distribución del área cooperante perteneciente a la viga

a prediseñarse.

Figura Nº 3. 7: Consideraciones para Pre dimensionado de Vigas.

Elaborado: Autores.

68

De acuerdo a las condiciones de ancho cooperante y luz entre apoyos se selecciona

la viga B2 – C2, misma que se encuentra en el sentido Y – Y, y cuyos cálculos se

detallan a continuación:

Datos:

L = 5.00m

Ancho Coop. = 5.15m

Carga por Viga: W = [WD + WL] ∗ Ancho Coop. = 4.90 t/m

Factor de Mayoración: FM =1.2D+1.6L

D+L = 1.28

Carga en Última Resistencia: Wu = FM ∗ W = 6.27 t/m

Momento en última Resistencia: Mu =Wu∗L2

8 = 19.60 t. m

Cuantía Balanceada: ρb =0.85∗fc

′ ∗β1

fy∗ [

6120

6120+fy] = 0.02448

Cuantía de Acero: ρ = 0.5ρb = 0.01836

Índice de Refuerzo: w = ρ ∗fy

fc′ = 0.3213

Factor de Resistencia: Ru = w ∗ fc′ ∗ [1 −

w

1.7] = 62.54 Kg/cm2

Altura Efectiva: d = √Mu

∅∗b∗Ru = 37.32cm

Altura de Viga: d + recubrimiento = 42.32 cm

Altura Adoptada: h = 45 cm

Es necesario tener en cuenta que este pre dimensionamiento no considera la carga

por peso propio de la viga, sin embargo, al tomar en cuenta la misma y realizar los

69

cálculos correspondientes la variación entre alturas efectivas es mínima, por lo cual

se desprecia.

Por lo tanto, las dimensiones mínimas de las vigas para todo el sistema estructural

armado deben cumplir con las siguientes dimensiones:

b = 30 cm h = 45 cm

Adicionalmente como parte fundamental de comprobación del pre dimensionado,

las vigas deben cumplir ciertos requisitos, como la relación altura – base y base

mínima, como se indica a continuación:

1.50 ≤ℎ

𝑏≤ 2.00 b ≥ 25cm

3.1.6.5. Predimensionado de Columnas

De acuerdo al Código ACI 318-14, capítulo 10: Flexión y Cargas Axiales, sección

10.3.6.2, para elementos preesforzados con estribos que cumplan con 7.10.5.

∅𝑃𝑛(max) = 0.80 ∗ ∅ ∗ [0.85 ∗ 𝑓𝑐′ ∗ (𝐴𝑔 − 𝐴𝑠𝑡) + 𝑓𝑦𝐴𝑠𝑡] (3.1)

𝐴𝑠𝑡 y 𝑓𝑦 es cero, considerando la absorción de las cargas por el hormigón en la

primera etapa de trabajo, además, el factor de reducción de resistencia (∅) para

secciones controladas por compresión es igual a 0.65, de acuerdo a esto la ecuación

se simplifica a:

𝐴𝑔 =𝑃𝑢

0.442∗𝑓𝑐′ (3.2)

70

En donde 𝐴𝑔 es el área bruta de la sección de hormigón en cm2, 𝑃𝑢 es la carga axial

última por columna en Kg y 𝑓𝑐′ es la resistencia a la compresión del hormigón en

Kg/cm2.

Particularmente el predimensionamiento se realiza por tipo de columna (central,

perimetral o esquinera), y las condiciones establecidas por la Norma Ecuatoriana

de la Construcción en su capítulo de Hormigón Armado, sección 4.3: Elementos en

flexo – compresión, las cuales establecen que la relación entre dimensiones menor

y mayor de sección transversal debe ser mayor que 0.40, o en su defecto su altura

libre sea mayor a cuatro veces su mayor dimensión de sección, y la dimensión más

pequeña de la sección transversal no sea menor que 300mm.

En la tabla 3.6, se presentan las cargas vivas y permanentes para cada nivel de la

edificación.

Tabla Nº 3. 6: Cargas Vivas y Permanentes por Nivel.

NIVEL

(m)

CARGA VIVA

(t/m2)

CARGA MUERTA

(t/m2)

N+28.80. 0.070 0.662

N+25.92 0.240 0.905

N+23.04 0.240 0.905

N+20.16 0.240 0.905

N+17.28 0.240 0.905

N+14.40 0.240 0.905

N+11.52 0.240 0.905

N+8.64 0.240 0.905

N+5.76 0.240 0.905

N+2.88 0.240 0.905

N+0.00 0.480 0.830

N-2.88 0.509 0.665

71

N-5.76 0.509 0.665

N-8.64 0.509 0.665

N-11.52 0.509 0.665

N-14.40 ------ ------

Elaborado: Autores.

En la tabla 3.7, se presenta la carga Neta aplicada a cada columna, área resistente

necesaria y sección de columna mínima requerida.

Tabla Nº 3. 7: Carga Neta y Sección Máxima de Columnas por Eje - EHA.

COLUMNA

POR EJES

P

(t)

Ag

(cm2)

b / h

(cm / cm)

B5 192.389 1813.621 40/80

C5 218.617 2060.871 40/80

D5 219.204 2066.404 40/80

B4 205.632 1938.461 30/90

C4 160.733 1515.206 30/90

D4 198.686 1872.986 30/90

B3 205.632 1938.461 30/90

C3 160.733 1515.206 30/90

D3 198.686 1872.986 30/90

B2 203.770 1920.904 40/80

C2 233.763 2203.651 40/80

D2 147.017 1385.907 40/80

Elaborado: Autores.

Las secciones de columnas determinadas se mantienen en toda la altura de la

estructura durante todas las etapas de pre dimensionado y modelación. Durante el

diseño se optimizarán las secciones más convenientes con la finalidad de disminuir

72

los volúmenes de material, mismos que influyen directamente en el costo de

edificación.

3.1.7. Estructura Mixta

3.1.7.1. Análisis de Cargas Verticales

Corresponden a las cargas verticales tanto permanentes (muertas) y cargas vivas.

3.1.7.2. Cargas Utilizadas en el Modelo

Su determinación se lleva a cabo considerando que éstas actúan en un área de un

metro cuadrado, y en función de los materiales de construcción que conforman el

sistema estructural.

3.1.7.3. Predimensionado de Losas con Placas Colaborante (Steel Deck)

Antes de la selección del espesor de la cubierta metálica se realiza el análisis de

cargas actuantes sobre la losa en función del uso de la estructura considerando

únicamente dos tipos de carga como se indica en la tabla 3.8 y 3.9 respectivamente:

Tabla Nº 3. 8: Cargas en Función del Uso, Niveles Superiores al N+ 0.00.

CARGAS

(t/m2)

LOSA DE

ENTREPISO

CUBIERTA

Masillado 0.088 0.088

Cerámica 0.020

Mampostería 0.200



WD 0.353 0.133

WL 0.240 0.100

WD + WL 0.593 0.233

Elaborado: Autores.

73

Tabla Nº 3. 9: Cargas en Función del Uso, Niveles Menores al N+ 0.00.

CARGAS

(t/m2)

LOSA DE

ENTREPISO

Masillado 0.088

Cerámica

Mampostería 0.030

Instalaciones 0.025

Cielo Raso

WD 0.143

WL 0.509

WD + WL 0.652

Elaborado: Autores.

Con las cargas obtenidas tanto para los niveles superiores e inferiores al nivel

N+0.00, se procede a seleccionar el espesor de la cubierta metálica en función del

espesor de la losa de hormigón y separación entre los apoyos de las fichas técnicas

que disponen los fabricantes en el mercado.

Para este caso se selecciona la ficha técnica de la empresa Kubilosa, como se indica

a en la tabla 3.10:

74

Tabla Nº 3. 10: Carga Sobreimpuesta en kg/m2.

Fuente: Empresa Kubilosa.

Se selecciona una placa colaborante de 0.65mm de espesor con una losa de

hormigón de 5cm de altura y con una separación entre vigas de 1.60m hasta 1.8m,

dependiendo de las dimensiones de cada tablero de losa.

3.1.7.4. Predimensionado de Vigas Principales

De acuerdo a las condiciones anteriores se calcula el peso propio de la losa,

obteniéndose como se indica en las tablas 3.11 – 3.12 y 3.13 respectivamente:

Tabla Nº 3. 11: Modulación de Cargas por m2 de Losa.

DESCRIPCIÓN CARGAS (t/m2)

Espesor del Deck

0.65

0.00637

Volumen de Hormigón / m2

0.06950

0.1668

TOTAL P.P.L. 0.1732

Elaborado: Autores

75

Tabla Nº 3. 12: Cargas en Función del Uso, Niveles Mayores al N+ 0.00.

CARGAS

(t/m2)

LOSA DE

ENTREPISO

CUBIERTA

P.P.L. 0.173 0.173

Masillado 0.088 0.088

Cerámica 0.020

Mampostería 0.200



WD 0.527 0.307

WL 0.240 0.100

WD + WL 0.767 0.407

Elaborado: Autores.

Tabla Nº 3. 13: Cargas en Función del Uso, Niveles Menores al N+ 0.00.

CARGAS

(t/m2)

LOSA DE

ENTREPISO

P.P.L. 0.173

Masillado 0.088

Cerámica 0.020

Mampostería 0.030

Instalaciones 0.025

Cielo Raso 0.020

WD 0.357

WL 0.509

WD + WL 0.866

Elaborado: Autores.

Para el pre dimensionado de estos elementos horizontales se considera los

siguientes materiales de construcción:

76

𝑓𝑐′ = 24 𝑀𝑃𝑎

𝑓𝑦 = 420 𝑀𝑃𝑎

De acuerdo a las condiciones de ancho cooperante y luz entre apoyos se selecciona

la viga B2 – C2 (figura 3.7), misma que se encuentra en el sentido Y – Y, cuyos

cálculos se detallan a continuación:

Datos:

L = 5.00m

Ancho Coop. = 5.15m



D+L = 1.30



8 = 16.10 t. m

Cuantía Balanceada: ρb =0.85∗fc

′ ∗β1

fy∗ [

6120

6120+fy] = 0.02448

Cuantía de Acero: ρ = 0.5ρb = 0.01836

Índice de Refuerzo: w = ρ ∗fy

fc′ = 0.3213

Factor de Resistencia: Ru = w ∗ fc′ ∗ [1 −

w

1.7] = 62.54 Kg/cm2

Altura Efectiva: d = √Mu

∅∗b∗Ru = 33.75 cm

Altura de Viga: d + recubrimiento = 38.75 cm

Altura Adoptada: h = 40 cm

77

Es necesario tener en cuenta que este pre dimensionamiento no considera la carga

por peso propio de la viga, sin embargo, al tomar en cuenta la misma y realizar los

cálculos correspondientes, la variación entre alturas efectivas es mínima, por lo cual

se desprecia.

Por lo tanto, las dimensiones mínimas de las vigas para todo el sistema estructural

mixto deben cumplir con las siguientes dimensiones:

b = 25 cm h = 40 cm

Además de cumplir las condiciones señaladas para dimensionamiento de vigas:

1.50 ≤ℎ

𝑏≤ 2.00 b ≥ 25cm

3.1.7.5. Predimensionado de Vigas Secundarias

Para su pre dimensionado se selecciona la viga para la luz corta del tablero de

mayores dimensiones y se considera que ésta se encuentra apoyadas sobre las vigas

principales como se indica en la figura 3.8, posteriormente se calcula su módulo

resistente y de forma aproximada se selecciona el perfil dispuesto en catálogos

(Tabla 3.14) de proveedores nacionales, para este caso DIPAC.

78

Figura Nº 3. 8: Dispocicion de Vigas Secundarias.

Elaborado: Autores.

Para el cálculo del módulo de resistencia en el sentido X-X se aplica la siguiente

expresión:

𝑊𝑋 =𝑀𝑈

𝜎𝑚á𝑥 (3.3)

En Donde:

𝑊𝑋: Módulo de resistencia de la sección para el eje X-X en cm3

𝑀𝑈: Momento en última resistencia en Kg-cm

𝜎𝑚á𝑥: Esfuerzo de trabajo de la sección en Kg/cm2

Es importante mencionar que para este caso el esfuerzo máximo de trabajo de la

sección se considera igual al 60% del esfuerzo de fluencia del acero A36.

Viga de Hormigón

Viga de Hormigón

Áre

a C

oo

pera

nte

Vig

eta

Me

tálic

a

79

De acuerdo a lo señalado se selecciona la viga intermedia entre los ejes verticales

B y C, misma que se encuentra en el sentido Y – Y para los niveles inferiores al

N+0.00, cuyos cálculos se detallan a continuación:

Datos:

L = 5.40m

Ancho Coop. = 1.80m



D+L = 1.435



8 = 8.161 t. m

Módulo Resistente: WX =MU

σmáx = 536.35 cm3

Tabla Nº 3. 14: Perfiles Laminados IPE.

Fuente: Empresa DIPAC.

80

Por lo tanto, el perfil que mejor se aproxima a las solicitaciones de pre

dimensionado es el perfil IPE 300, cuyas características se muestran en la tabla

3.14.

3.1.7.6. Predimensionado de Columnas

Para este caso se aplica el mismo criterio y condiciones establecidos para el pre

dimensionamiento de columnas del sistema estructural de hormigón armado.

En las tablas 3.15 y 3.16, se presenta las cargas de servicio y secciones de columnas

respectivamente.

Tabla Nº 3. 15: Cargas Vivas y Permanentes por Nivel.

NIVEL

(m)

CARGA VIVA

(t/m2)

CARGA MUERTA

(t/m2)

N+28.80. 0.070 0.580

N+25.92 0.240 0.808

N+23.04 0.240 0.808

N+20.16 0.240 0.808

N+17.28 0.240 0.808

N+14.40 0.240 0.808

N+11.52 0.240 0.808

N+8.64 0.240 0.808

N+5.76 0.240 0.808

N+2.88 0.240 0.808

N+0.00 0.480 0.729

N-2.88 0.509 0.523

N-5.76 0.509 0.523

N-8.64 0.509 0.523

N-11.52 0.509 0.523

N-14.40 ------ ------

Elaborado: Autores.

81

Tabla Nº 3. 16: Cargas Neta y Sección Máxima de Columnas - EM.

COLUMNA

POR EJES

P

(t)

Ag

(cm2)

b / h

(cm / cm)

B5 142.487 1343.208 30/60

C5 169.179 1594.823 30/60

D5 167.327 1577.368 30/60

B4 156.404 1474.393 30/60

C4 126.806 1195.376 30/60

D4 155.037 1461.510 30/60

B3 156.404 1474.393 30/60

C3 126.806 1195.376 30/60

D3 155.037 1461.510 30/60

B2 151.407 1427.290 30/60

C2 179.951 1696.374 30/60

D2 109.460 1031.864 30/60

Elaborado: Autores.

3.1.8. Análisis de la Acción Sísmica

En todo diseño estructural, ya sea que el sistema estructural en estudio presente

configuraciones bastante regulares es necesario realizar dos tipos de análisis, uno

basado en el método estático lineal y otro en el método pseudo-dinámico, por lo

general debe aplicarse por lo menos el método estático para estructuras de cualquier

configuración; cabe mencionar que para este estudio se hizo los dos métodos.

3.1.8.1. Análisis Estático

Este método se basa en la distribución y aplicación de cargas calificadas como

sísmicas de diseño de diferente magnitud en cada nivel de piso de la estructura a

partir del nivel cero - cero o en su defecto desde su nivel de piso del primer subsuelo;

su magnitud principalmente está en función de la altura de aplicación al diafragma

(losa entrepiso) y su correspondiente peso o carga sísmica reactiva 𝑊𝑖 .

82

La acumulación de este conjunto de cargas que se aplican lateralmente promueve

como resultado la fuerza total de diseño conocido como cortante basal de diseño, el

mismo que se aplica en la base de la estructura considerada. Para su determinación

la Norma Ecuatoriana de la Construcción establece los siguientes parámetros

𝑉 =𝐼 𝑆𝑎(𝑇𝑎)

𝑅 ∅𝑃∅𝐸𝑊 (3.4)

En donde, V es el cortante basal de diseño, I corresponde al factor de importancia,

el espectro de diseño en aceleración se define como Sa, el coeficiente de

configuración en planta es Øp y en elevación es Øe, R corresponde al factor de

reducción de resistencia sísmica y W representa la carga sísmica reactiva de la

estructura por sismo.

Con respecto al cálculo de la carga sísmica reactiva, éste se habla en función del

tipo de estructura tal como lo establece la NEC.

Factor de Importancia

El factor de importancia depende del tipo de estructura, la tabla 6 de la sección 4.1.

Categoría de edificio y coeficiente de importancia I de la Norma Ecuatoriana de la

Construcción, Capítulo Peligro Sísmico clasifica los sistemas estructurales como se

indica en la tabla 3.17:

Tabla Nº 3. 17: Tipo de Uso, Destino e Importancia de la Estructura.

Categoría Tipo de uso, destino e importancia Coeficiente I

Edificaciones

esenciales

Hospitales, clínicas, centros de salud o de

emergencia sanitaria, Instalaciones militare,

de policía, bomberos, defensa civil, Garajes o

estacionamientos para vehículos y aviones

que atienden emergencias….[ ... ]

1.50

83

Estructuras

de ocupación

especial

Museos, iglesias, escuelas y centros de

educación o deportivos que albergan más de

trescientas personas. Todas las estructuras

que albergan más de cinco mil personas.

Edificios públicos que requieren operar

continuamente.

1.30

Otras

Estructuras

Todas las estructuras de edificación y otras

que no clasifican dentro de las categorías

anteriores.

1.00


La finalidad de este factor es incrementar la demanda sísmica de diseño para

estructuras, las mismas que por sus características tanto de uso como de importancia

deben permanecer operativas o sufrir daños menores durante.

Factor de Reducción de Resistencia

Este coeficiente conocido como R depende de algunas variables estructuradas en la

Norma Ecuatoriana de la Construcción6:

Tipo de estructura.

Tipo de suelo.

Período de Vibración considerado.

Factores de ductilidad, sobre resistencia, redundancia y amortiguamiento de

la estructura en condiciones límite.

Para este caso se ha considerado los valores resumidos y expresados en la tabla

3.18.

6 NEC-SE-DS, Sección 6.3.4 literal c.

84

Tabla Nº 3. 18: Coeficiente R para sistemas estructurales dúctiles.

PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTOS R

Pórticos especiales sismo resistentes, de hormigón

armado con vigas descolgadas y con muros

estructurales de hormigón armado o con diagonales

rigidizadoras (sistemas duales)

8.00

Pórticos con columnas de hormigón armado y vigas

de acero laminado en caliente, sea con diagonales

rigidizadoras (excéntricas o concéntricas) o con

muros estructurales de hormigón armado.

8.00


La consideración de este factor tiene la finalidad de proporcionar un

comportamiento inelástico de la estructura, facilitando una eficiente disipación de

energía sísmica por la misma.

Coeficientes de Configuración Estructural

Corresponden a los coeficientes de regularidad en planta y en elevación ya

determinados en las secciones 3.1.1 y 3.1.2 respectivamente:

∅𝑃 = 0.90

∅𝐸 = 0.90

Espectro de Respuesta Elástico de Aceleraciones

Para determinar el espectro de diseño elástico de aceleraciones 𝑆𝑎 expresado como

fracción de la aceleración de la gravedad para el sismo de diseño, se establecen las

ecuaciones de la figura 3.9, las mismas que permiten determinar cada uno de los

tramos en base al período de vibración.

85

Figura Nº 3. 9: Espectro Elástico Horizontal de Diseño.

Fuente: NEC-SE-DS.

En donde 𝜂 es la razón entre la aceleración espectral 𝑆𝑎 (𝑇 = 0.1𝑠) y el PGA para

el período de retorno seleccionado, 𝐹𝑎 , 𝐹𝑑 𝑦 𝐹𝑠 los factores de sitio para cada tipo

de suelo, 𝑆𝑎 el espectro de respuesta elástico de aceleraciones, 𝑇 el período

fundamental de vibración de la estructura, 𝑇𝑂 el período límite de vibración en el

espectro sísmico elástico de aceleraciones, 𝑇𝑐 el período límite de vibración

en el espectro sísmico elástico de aceleraciones y 𝑍 la Aceleración máxima en roca

esperada para el sismo de diseño.

Para su determinación se debe tomar en cuenta los siguientes parámetros:

Zonificación Sísmica

En la NEC 2015, capítulo de Peligro Sísmico, se muestran las seis zonas sísmicas

presentes en el país y sus correspondientes valores de aceleración máxima en roca

esperada para el sismo de diseño (Z) con su respectiva caracterización de peligro

sísmico desde intermedio a muy alto respectivamente.

En la figura 3.10, se presentan las zonas sísmicas del Ecuador.

86

Figura Nº 3. 10: Zonas Sísmicas del Ecuador.

Fuente: NEC – SE- DS, 2015. (Figura 1).

El valor de Z (aceleración máxima en roca) es de 0.40 y corresponde a una

caracterización de peligro sísmico Alto, debido a que el DMQ se encuentra dentro

de esta zona sísmica.

Aceleración Espectral 𝑺𝒂

Se calcula con las siguientes ecuaciones:

𝑆𝑎 = 𝜂𝑍𝐹𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 0 ≤ 𝑇 ≤ 𝑇𝐶 (3.5)

𝑆𝑎 = 𝜂𝑍𝐹𝑎 (𝑇𝐶

𝑇)

𝑟

𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑇 > 𝑇𝐶 (3.6)

En donde:

𝑟 ∶ Factor usado en el espectro de diseño elástico, cuyos valores

dependen de la ubicación geográfica del proyecto.

𝑟 = 1 Para todos los suelos, con excepción del suelo tipo E.

87

𝑟 = 1.5 Para tipo de suelo E.

De acuerdo a la ubicación geográfica de la estructura y tipo de suelo, se considera

que el factor usado es:

𝑟 = 1 Para suelos tipo B, C y D

El valor de 𝜂 (Sa/Z, en roca) varía dependiendo de la región de implantación del

proyecto en el Ecuador.

𝜂 = 2.48 Provincia de la Sierra (DMQ)

Los límites para los períodos de vibración 𝑇𝐶 y 𝑇𝐿 son obtenidos de las siguientes

expresiones:

𝑇𝐶 = 0.55𝐹𝑆𝐹𝑑

𝐹𝑎 (3.7)

𝑇𝐿 = 2.4 𝐹𝑑 (3.8)

En donde:

𝑇𝐶 ∶ Es el período límite de vibración en el espectro sísmico elástico de

aceleraciones que representa el sismo de diseño.

𝑇𝐿 ∶ Es el período límite de vibración utilizado para la definición de espectro de

repuesta en desplazamientos.

88

Para el análisis dinámico y con el objetivo de evaluar la respuesta de los modos de

vibración diferentes al modo fundamental, el valor de Sa debe calcularse mediante

la siguiente expresión, para valores de períodos de vibración menores a To:

𝑆𝑎 = 𝑍𝐹𝑎 [1 + (𝜂 − 1)𝑇

𝑇0] 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑇 ≤ 𝑇0 (3.9)

𝑇𝑂 = 0.10 𝐹𝑠 𝐹𝑑

𝐹𝑎 (3.10)

En donde:

𝑆𝑎 ∶ Es el espectro de respuesta elástico de aceleraciones (expresado como

fracción de la aceleración de la gravedad g). Depende del período o modo

de vibración de la estructura.

𝑇0 ∶ Período límite de vibración en el espectro sísmico elástico de aceleraciones

que representa el sismo de diseño.

Con respecto a los tipos de suelo y factores de sitio para el DMQ especificados en

el Capítulo II y en base a las especificaciones generales de la NEC 2015, se resumen

en las tablas 3.19, 3.20 y 3.21, esto con el objeto de determinar los espectros de

diseño elásticos para cada tipo de perfil de suelo.

Tabla Nº 3. 19: Coeficientes de Espectro, Suelo Tipo B.

FACTORES ESTABLECIDOS EN LA NEC-SE-DS

DESCRIPCIÓN FACTOR

Fa: Coeficiente de Amplificación del Suelo. 1.00

Fd: Factor de Desplazamientos para Diseño en Roca. 1.00

Fs: Factor de Comportamiento no Lineal de los Suelos 0.75

89

Z: Aceleración Máxima en Roca esperada para el

Sismo de Diseño

0.40

n: Razón entre la aceleración espectral 2.48

r: Factor usado en el espectro de diseño elástico. 1.00

Elaborado: Autores.

Tabla Nº 3. 20: Coeficientes de Espectro, Suelo Tipo C.


DESCRIPCIÓN FACTOR





Sismo de Diseño

0.40



Elaborado: Autores.

Tabla Nº 3. 21: Coeficientes de Espectro, Suelo Tipo D.


DESCRIPCIÓN FACTOR





Sismo de Diseño

0.40



Elaborado: Autores.

El período de vibración aproximado de la estructura aplicando el método 1

establecido en la NEC se calcula aplicando la siguiente ecuación

90

𝑇 = 𝐶𝑡ℎ𝑛∝

(3.11)

En donde 𝑇 es el período de vibración de la estructura, 𝐶𝑡 el coeficiente que

depende del tipo de edificio y ℎ𝑛 corresponde a la altura máxima de la edificación

de n pisos, medida desde la base de la estructura, en metros.

El coeficiente Ct y α se obtienen de la tabla especificada en la NEC-SE-DS, de la

misma que se obtiene los valores presentados en la tabla 3.22:

Tabla Nº 3. 22: Coeficientes Ct y α.

Tipo de Estructura Ct α

Pórticos especiales de Hormigón Armado

0.055

0.75 Con muros estructurales o diagonales rigidizadoras y

para otras estructuras basadas en muros estructurales y

mampostería estructural.

Fuente: NEC-SE-DS.

La altura máxima de la edificación medida desde el primer subsuelo (N-2.88) hasta

el piso 10 (N+28.80) para este caso es de 31.68 m

Carga Reactiva W

Definida como carga por sismo y se determina a partir del 100% de la carga muerta

más el 25% de la carga viva debido a que el uso de la estructura contiene áreas

destinadas para almacenamiento de equipos utilizados.

Por lo tanto, para cada nivel de piso se tiene:

𝑊𝑖 = 𝐷𝑖 + 0.25𝐿𝑖 (3.12)

En donde 𝑊𝑖 es la carga reactiva por piso y 𝐷𝑖 es la carga muerta por piso.

91

En las tablas 3.23 y 3.24, se resume la carga reactiva de la estructura de Hormigón

Armado y Estructura Mixta respectivamente, para cada nivel de piso.

Tabla Nº 3. 23: Cargas Reactivas por Piso – EHA.

NIVEL 100% CARGA

MUERTA

(t)

25% CARGA

VIVA

(t)

Wi / PISO

(t)

N + 28.80 57.948 1.565 59.513

N + 25.92 129.736 8.740 138.476

N +23.04 129.736 8.740 138.476

N +20.16 129.736 8.740 138.476

N +17.28 129.736 8.740 138.476

N +14.40 129.736 8.740 138.476

N +11.52 129.736 8.740 138.476

N +8.64 129.736 8.740 138.476

N +5.76 129.736 8.740 138.476

N +2.88 129.736 8.740 138.476

N +0.00 258.615 38.548 297.163

N -2.88 -------- -------- --------

TOTAL: 1602.962

Elaborado: Autores.

Tabla Nº 3. 24: Cargas Reactivas por Piso – EM.

NIVEL 100% CARGA

MUERTA

(t)

25% CARGA

VIVA

(t)

Wi / PISO

(t)

N + 28.80 56.109 1.565 57.674

N + 25.92 127.151 8.740 135.891

N +23.04 127.151 8.740 135.891

N +20.16 127.151 8.740 135.891

N +17.28 127.151 8.740 135.891

N +14.40 127.151 8.740 135.891

N +11.52 127.151 8.740 135.891

92

N +8.64 127.151 8.740 135.891

N +5.76 127.151 8.740 135.891

N +2.88 127.151 8.740 135.891

N +0.00 241.150 38.548 279.699

N -2.88 -------- -------- --------

TOTAL: 1560.391

Elaborado: Autores.

La tabla 3.25 permite identificar los factores sísmicos para la estructura de

hormigón armado y estructura mixta, para los suelos B, C y D respectivamente.

Tabla Nº 3. 25: Coeficientes Sísmicos y Cortantes Basales.

Factores

Sísmicos

SISTEMA ESTRUCTURAL

Hormigón Armado Mixto

Suelo B Suelo C Suelo D Suelo B Suelo C Suelo D

𝒉𝒏 31.68 31.68 31.68 31.68 31.68 31.68

𝑪𝒕 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055 0.055

α 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75

I 1.50 1.50 1.50 1.50 1.50 1.50

R 8.00 8.00 8.00 8.00 8.00 8.00

W (t) 1602.962 1602.962 1602.962 1560.391 1560.391 1560.391

V (t) 159.350 261.597 323.176 155.118 254.649 314.593

Elaborado: Autores.

De acuerdo a lo expresado en esta sección correspondiente al método estático la

tabla 3.25 permite observar que existe un crecimiento proporcional entre el

93

coeficiente basal obtenido para cada uno de los suelos y el cortante basal para una

misma carga reactiva del sistema estructural.

Distribución Vertical de Fuerzas Laterales

La distribución de cargas laterales por nivel de piso en toda la altura de la estructura

se determina aplicando la siguiente ecuación establecida en la Norma Ecuatoriana

de la Construcción:

𝑉 = ∑ 𝐹𝑖𝑛𝑖=1 ; 𝑉𝑥 = ∑ 𝐹𝑖𝑛

𝑖=𝑥 ; 𝐹𝑥 =𝑊𝑥ℎ𝑥

𝑘

∑ 𝑊𝑖ℎ𝑖𝑘𝑛

𝑖=1

𝑉 (3.13)

Donde V es el cortante total en la base de la estructura, Vx cortante total en el piso

x de la estructura, Fi fuerza lateral aplicada por cada piso i, Fx fuerza lateral

aplicada en el piso x de la estructura, n número de pisos de la estructura, Wx

fracción de carga reactiva sísmica de cada nivel de piso, Wi es el peso aginado al

piso i de la estructura, hx altura del piso x, hi altura del piso i y K factor de relación

con el período de vibración de la estructura, que de acuerdo a su valor corresponde

a tres tipos de casos:

Si 𝑇 ≤ 0.5 entonces 𝑘 = 1

Si 0.5 < 𝑇 ≤ 2.5 entonces 𝑘 = 0.75 + 0.5 ∗ 𝑇

(3.14)

Si 𝑇 > 2.5 entonces 𝑘 = 2

En todos los casos para la distribución vertical de fuerzas laterales tanto para la

estructura de hormigón armado como mixta y en función de los perfiles de suelo B,

C y D, el factor relacionado al período de vibración de la estructura presenta el

mismo valor.

𝑘 = 1.227

94

Las tablas 3.26, 3.27 y 3.28 permiten identificar este efecto para cada tipo de suelo,

además, en las figuras 3.11, 3.12 y 3.13, se puede apreciar su respectiva distribución

lateral de la carga sísmica.

Tabla Nº 3. 26: Distribución Vertical de Fuerzas por Nivel. E.H.A.S.B.7

NIVEL Wi

(t)

hi

(m)

Wi. hx^k

(t.m)

Fx=Fy

(t)

N + 28.80 59.51 31.68 4131.20 15.98

N + 25.92 138.48 28.80 8551.64 33.07

N +23.04 138.48 25.92 7514.59 29.06

N +20.16 138.48 23.04 6503.41 25.15

N +17.28 138.48 20.16 5520.58 21.35

N +14.40 138.48 17.28 4569.21 17.67

N +11.52 138.48 14.40 3653.30 14.13

N +8.64 138.48 11.52 2778.29 10.75

N +5.76 138.48 8.64 1951.99 7.55

N +2.88 138.48 5.76 1186.90 4.59

N +0.00 297.16 2.88 1088.10 4.21

Elaborado: Autores

Figura Nº 3. 11: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales - Suelo B.

Elaborado: Autores.

7 E.H.A.S.B.: Estructura de Hormigón Armado Suelo Tipo B

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00

ALT

UR

A D

E P

ISO

(m

)

F (t)

FX=FY

95

Tabla Nº 3. 27: Distribución Vertical de Fuerzas por Nivel. E.H.A.S.C.8

NIVEL Wi

(t)

hi

(m)

Wi. hx^k

(t.m)

Fx=Fy

(t)

N + 28.80 59.51 31.68 4131.20 26.23

N + 25.92 138.48 28.80 8551.64 54.30

N +23.04 138.48 25.92 7514.59 47.71

N +20.16 138.48 23.04 6503.41 41.29

N +17.28 138.48 20.16 5520.58 35.05

N +14.40 138.48 17.28 4569.21 29.01

N +11.52 138.48 14.40 3653.30 23.20

N +8.64 138.48 11.52 2778.29 17.64

N +5.76 138.48 8.64 1951.99 12.39

N +2.88 138.48 5.76 1186.90 7.54

N +0.00 297.16 2.88 1088.10 6.91

Elaborado:

Autores.

Figura Nº 3. 12: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales - Suelo C.

Elaborado: Autores.

8 E.H.A.S.C.: Estructura de Hormigón Armado Suelo Tipo C

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

ALT

UR

A D

E P

ISO

(m

)

F (t)

FX=FY

96

Tabla Nº 3. 28: Distribución Vertical de Fuerzas por Nivel. E.H.A.S.D.9

NIVEL Wi

(t)

hi

(m)

Wi. hx^k

(t.m)

Fx=Fy

(t)

N + 28.80 59.51 31.68 4131.20 32.40

N + 25.92 138.48 28.80 8551.64 67.08

N +23.04 138.48 25.92 7514.59 58.94

N +20.16 138.48 23.04 6503.41 51.01

N +17.28 138.48 20.16 5520.58 43.30

N +14.40 138.48 17.28 4569.21 35.84

N +11.52 138.48 14.40 3653.30 28.66

N +8.64 138.48 11.52 2778.29 21.79

N +5.76 138.48 8.64 1951.99 15.31

N +2.88 138.48 5.76 1186.90 9.31

N +0.00 297.16 2.88 1088.10 8.53

Elaborado: Autores.

Figura Nº 3. 13: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales - Suelo D.

Elaborado: Autores.

9 E.H.A.S.D.: Estructura de Hormigón Armado Suelo Tipo D

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00

ALT

UR

A D

E P

ISO

(m

)

F (t)

FX=FY

97

La aplicación de las fuerzas laterales por planta permite identificar la carga neta

sísmica o cortante basal originado en el primer subsuelo de la estructura, para esta

primera estructura (hormigón armado) se evidencia la máxima magnitud en el perfil

de suelo tipo D, mismo que por sus características corresponde al más desfavorable

de los tres perfiles de suelo, como se observa en la figura 3.14.

Figura Nº 3. 14: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales por Suelo – E.H.A.

Elaborado: Autores.

Analizando la distribución de fuerzas sísmicas para la altura del edificio

considerada y en función al perfil de suelo se puede determinar que la estructura

presenta mayor vulnerabilidad sísmica cuando se implanta en sectores que

presentan suelos blandos, como es el caso del suelo D. Con la finalidad de completar

este análisis las figuras 3.15, representan la distribución del cortante basal para la

estructura de Hormigón Armado, para los suelos B, C y D en el mismo orden.

Las figuras 3.15 permiten relacionar los porcentajes de decremento del cortante

basal de los suelos C y B respecto al suelo D para el sistema estructural tipo en

hormigón armado, de acuerdo a esta consideración la figura 3.16 permite identificar

las siguientes relaciones.

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00

ALT

UR

A D

E P

ISO

(m

)

FUERZA (t)

SUELO B

SUELO C

SUELO D

98

Figura Nº 3. 15: Cortante Basal por Perfil de Suelo para la E.H.A.

Elaborado: Autores.

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00A

LTU

RA

DE

PIS

O (

m)

CORTANTE BASAL (t)

DISTRIBUCIÓN VERTICAL DEL CORTANTE BASAL

SUELO B

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

ALT

UR

A D

E P

ISO

(m

)

CORTANTE BASAL (t)


SUELO C

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

ALT

UR

A D

E P

ISO

(m

)

CORTANTE BASAL (t)


SUELO D

99

Figura Nº 3. 16: Porcentaje de Decremento del Cortante Basal de los Perfiles de

Suelo C y B respecto al Perfil de Suelo D.

Elaborado: Autores.

En cuanto al Sistema Estructural Mixto, las tablas 3.29, 3.30 y 3.31 presentan la

distribución vertical de las fuerzas horizontales para cada tipo de suelo, misma que

es prácticamente triangular, sin embargo es necesario tener en cuenta que este

diagrama permite idealizar el aporte equitativo de masas del edificio, lo cual

realmente no sucede y esto se evidencia en el proyecto respecto al N + 0.00, debido

a la presencia de muros perimetrales. Razón por lo cual es necesario realizar un

análisis dinámico de la estructura basado principalmente en los espectros de

respuesta.

Las figuras 3.17, 3.18 y 3.19, permiten apreciar la distribución idealizada de la

estructura, para los suelos B, C y D, respectivamente.

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

372.18301.26

183.51

372.18; 100.00

301.26; 80.95

183.51; 49.31

PO

RC

ENTA

JE (

%)

CORTANTE BASAL (t)

CORTANTE BASAL POR SUELO

Suelo B Suelo C

Suelo D

100

Tabla Nº 3. 29: Distribución Vertical de Fuerzas por Nivel. E.M.S.B.10

NIVEL Wi

(t)

hi

(m)

Wi. hx^k

(t.m)

Fx=Fy

(t)

N + 28.80 57.67 31.68 4003.51 15.31

N + 25.92 135.89 28.80 8391.99 32.08

N +23.04 135.89 25.92 7374.29 28.19

N +20.16 135.89 23.04 6381.99 24.40

N +17.28 135.89 20.16 5417.52 20.71

N +14.40 135.89 17.28 4483.91 17.14

N +11.52 135.89 14.40 3585.10 13.71

N +8.64 135.89 11.52 2726.42 10.42

N +5.76 135.89 8.64 1915.55 7.32

N +2.88 135.89 5.76 1164.74 4.45

N +0.00 279.70 2.88 1024.15 3.92

Elaborado: Autores

Figura Nº 3. 17: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales - Suelo B.

Elaborado: Autores.

10 E.M.S.B.: Estructura Mixta Suelo Tipo B

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00

ALT

UR

A D

E P

ISO

(m

)

F (t)

FX=FY

101

Tabla Nº 3. 30: Distribución Vertical de Fuerzas por Nivel. E.M.S.C.11

NIVEL Wi

(t)

hi

(m)

Wi. hx^k

(t.m)

Fx=Fy

(t)

N + 28.80 57.67 31.68 4003.51 25.13

N + 25.92 135.89 28.80 8391.99 52.67

N +23.04 135.89 25.92 7374.29 46.28

N +20.16 135.89 23.04 6381.99 40.05

N +17.28 135.89 20.16 5417.52 34.00

N +14.40 135.89 17.28 4483.91 28.14

N +11.52 135.89 14.40 3585.10 22.50

N +8.64 135.89 11.52 2726.42 17.11

N +5.76 135.89 8.64 1915.55 12.02

N +2.88 135.89 5.76 1164.74 7.31

N +0.00 279.70 2.88 1024.15 6.43

Elaborado: Autores.

Figura Nº 3. 18: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales - Suelo C.

Elaborado: Autores.

11 E.M.S.C.: Estructura Mixta Suelo Tipo C

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

ALT

UR

A D

E P

ISO

(m

)

F (t)

FX=FY

102

Tabla Nº 3. 31: Distribución Vertical de Fuerzas por Nivel. E.M.S.D.12

NIVEL Wi

(t)

hi

(m)

Wi. hx^k

(t.m)

Fx=Fy

(t)

N + 28.80 57.67 31.68 4003.51 31.04

N + 25.92 135.89 28.80 8391.99 65.07

N +23.04 135.89 25.92 7374.29 57.18

N +20.16 135.89 23.04 6381.99 49.48

N +17.28 135.89 20.16 5417.52 42.00

N +14.40 135.89 17.28 4483.91 34.77

N +11.52 135.89 14.40 3585.10 27.80

N +8.64 135.89 11.52 2726.42 21.14

N +5.76 135.89 8.64 1915.55 14.85

N +2.88 135.89 5.76 1164.74 9.03

N +0.00 279.70 2.88 1024.15 7.94

Elaborado: Autores.

Figura Nº 3. 19: Distribución Vertical de Fuerzas Laterales - Suelo D.

Elaborado: Autores.

12 E.M.S.D.: Estructura Mixta Suelo Tipo D

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00

ALT

UR

A D

E P

ISO

(m

)

F (t)

FX=FY

103

Realizando el mismo análisis de la estructura en hormigón armado, respecto a

fuerzas laterales y cortantes basales por perfil de suelo para este tipo de sistema

estructural se obtiene la figura 3.20.

Figura Nº 3. 20: Distribución Vertical de Fuerzas por Suelo para E.M.

Elaborado: Autores.

En donde, es importante identificar que cuando existen pequeñas variaciones de

masa por piso se originan ciertas discontinuidades de cortante en la estructura tal y

como se había mencionado, además es evidente que generalmente se originan en

pisos inferiores, sin embargo en pisos superiores con una misma geometría o

proporción de elementos estructurales, su variación de cortante será proporcional a

la altura de piso. En la figura 3.21 se evidencia la magnitud del cortante basal por

perfil de suelo.

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00

ALT

UR

A D

E P

ISO

(m

)

FUERZA (t)

SUELO B

SUELO C

SUELO D

104

Figura Nº 3. 21: Cortantes Basal para el Sistema Estructural Mixto.

Elaborado: Autores.

0

5

10

15

20

25

30

35

ALT

UR

A D

E P

ISO

(m

)

CORTANTE BASAL (t)


SUELO B

0

5

10

15

20

25

30

35

ALT

UR

A D

E P

ISO

(m

)

CORTANTE BASAL (t)


SUELO C

0

5

10

15

20

25

30

35

ALT

UR

A D

E P

ISO

(m

)

CORTANTE BASAL (t)


SUELO D

105

De acuerdo a las figuras indicadas anteriormente el cortante basal en mayor

magnitud se presenta en el perfil de suelo más desfavorable (D), de igual forma para

este tipo de estructura se pueden relacionar los porcentajes de decremento con

respecto a los perfiles de suelo C y B como se indica en la Figura 3.22.

Figura Nº 3. 22: Porcentajes de Decremento del Cortante Basal de los Perfiles de

Suelo C y B respecto al Suelo D.

Elaborado: Autores.

3.1.8.2. Análisis Dinámico

Dentro de los requisitos de la filosofía sismo resistente es importante realizar este

tipo de análisis, porque este método tiene la finalidad de considerar las

características de la estructura de acuerdo a sus respuestas sísmicas tanto en las

direcciones X, Y y torsión, considerando su máximo modo de vibración.

Con el propósito de mantener a la estructura dentro del rango lineal se utilizarán los

espectros reducidos (inelásticos) mismos que guardan una relación inversamente

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

314.59254.65

155.12

314.59; 100.00

254.65; 80.95

155.12; 49.31

PO

RC

ENTA

JE (

%)

CORTANTE BASAL (t)

CORTANTE BASAL POR SUELO

Suelo D Suelo C

Suelo B

106

proporcional al factor de reducción de resistencia sísmica. Para su obtención es

necesario determinar el espectro de respuesta elástico.

Es importante tener en cuenta que el utilizar el espectro de respuesta elástico

permite hacer un análisis no lineal de la estructura, con lo que se obtienen

desplazamientos y fuerzas en cada uno de sus pisos en función de su máxima

magnitud y en base a métodos de combinación cuadrática completa o raíz cuadrada

de la suma de los cuadrados CQC y SRSS respectivamente.

Además como parte de los análisis estático y dinámico para una estructura, la NEC

establece una relación entre el cortante basal dinámico y el cortante basal estático,

el cual debe ser por lo menos el 85% y determinados con sus métodos

correspondientes.

En cuanto a los espectros de respuesta inelástica, éstos resultan de los espectros de

respuesta elástica, dividiendo el valor de Sa para los coeficientes ∅𝑃 , ∅𝐸 , 𝑅;

definidos como factores de regularidad en planta, de regularidad en elevación y de

reducción de resistencia sísmica, respectivamente.

𝑆𝑎(𝑖𝑛𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜) =𝑆𝑎 (𝑒𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜)

∅𝑃∗∅𝐸∗𝑅 (3.15)

Las figuras 3.23, 3.24 y 3.25, facilitan la visualización de los espectros elásticos e

inelásticos (reducidos) para los suelos B, C y D respectivamente.

107

Figura Nº 3. 23: Espectros de Respuesta de Diseño - Suelo B.

Elaborado: Autores.

Figura Nº 3. 24: Espectros de Respuesta de Diseño - Suelo C.

Elaborado: Autores.

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00

Sa (

g)

T (s)

ESPECTROS DE RESPUESTA DE ACELERACIONES SaSUELO TIPO B

Es. Elástico

Es. Inelástico

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00

Sa (

g)

T (s)

ESPECTROS DE RESPUESTA DE ACELERACIONES SaSUELO TIPO C

Es. Elástico

Es. Inelástico

108

Figura Nº 3. 25: Espectros de Respuesta de Diseño - Suelo D.

Elaborado: Autores.

3.1.8.3. Límites de Deriva de Piso

El diseño de los dos sistemas estructurales se basa específicamente en el control de

deformaciones, lo cual se lleva a cabo verificando que el valor de deriva máxima

inelástica ∆𝑀 de piso correspondiente a cada estructura se mantenga dentro del

rango límite de valor de respuesta máxima inelástica ∆𝑀 establecido en la NEC

2015.

Para sistemas estructurales de hormigón armado, estructura metálica y madera el

porcentaje de respuesta máxima inelástica es el especificado en la tabla 3.32.

Tabla Nº 3. 32: Valor de ∆M, expresados como fracción de la altura de Piso.

Estructurales de ∆𝑴 Máxima

Hormigón armado, estructuras metálicas y de

madera

0.02

Fuente: NEC-SE-DS. 2015.

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00

Sa (

g)

T (s)

ESPECTROS DE RESPUESTA DE ACELERACIONES SaSUELO TIPO D

Es. Elástico

Es. Inelástico

109

En donde, el valor de deriva máxima inelástica ∆𝑀 de cada piso se determina de

acuerdo a la expresión 3.16, en la cual 𝑅 es el factor de reducción de resistencia y

∆𝐸 es el desplazamiento obtenido en aplicación de las fuerzas laterales de diseño

reducidas.

∆𝑀= 0.75 𝑅 ∆𝐸 (3.16)

En cuanto al valor máximo aceptable de desplazamiento ∆𝑀 para cumplir la

especificación de la NEC 2015, éste no debe exceder del obtenido de la tabla 3.33,

para los dos tipos de sistemas estructurales.

Tabla Nº 3. 33: Desplazamientos Máximos por Fuerzas Laterales de Diseño

Reducidas.

SISTEMA ESTRUCTURAL ∆M R ∆E

Hormigón Armado 0.02 8.00 0.0033

Estructura Mixta 0.02 8.00 0.0033

Elaborado: Autores.

3.2. MODELAMIENTO ESTRUCTURAL

Para analizar un sistema estructural es necesario idealizarlo, esto se lleva a cabo

mediante métodos manuales y programas computacionales. Para su idealización y

posterior análisis, en su forma manual, es frecuente descomponer la estructura en

pórticos planos en dos direcciones y considerar que sus propiedades mecánicas

están concentradas en sus ejes de acuerdo a las solicitaciones a las que se encuentra

sometido. Con respecto al uso de programas computacionales por obvias razones el

análisis de una estructura disminuye su complejidad ya que el sistema estructural

está en función de una base de datos integrada a cada una de sus exigencias y

comportamientos, que pueden ser de naturaleza lineal y no lineal.

Es necesario señalar, que el analizar una estructura tiene por objetivo evaluar las

acciones internas y deformaciones originadas en diferentes partes de la misma,

identificando su respuesta ante acciones estáticas y dinámicas.

110

3.2.1. Software Empleado para el Diseño

Para la modelación y diseño de los dos sistemas estructurales, tanto en hormigón

armado como en estructura mixta, se utiliza el software ETABS V15.0.0 que es un

programa de ordenador desarrollado para el análisis y cálculo por elementos finitos,

tanto en hormigón armado como metálica. Este software proporciona al diseñador

una serie de herramientas que permiten crear, modificar, analizar, diseñar y

optimizar la construcción de una edificación utilizando una base de datos en común.

Aunque su aplicación permite el análisis rápido y fácil de estructuras simples,

también puede manejar los más grandes y complejos modelos de construcción,

incluyendo una enorme y amplia gama de comportamientos no lineales, razón por

la cual este programa computacional se ha convertido en la herramienta preferida

por los ingenieros en el campo de la construcción.

3.2.2. Modelamiento Tridimensional

El procedimiento típico en forma general utilizado para el modelamiento

tridimensional de cada uno de los sistemas estructurales es el siguiente:

1. Crear un nuevo modelo configurando los ejes necesarios los cuales permiten

ubicar las columnas, vigas, muros y losas.

2. Definir características: propiedades de material, propiedades de sección tipo

(frame, slab, deck y Wall) en donde corresponda y para cada modelo;

diafragmas a los elementos losa, niveles pier a los elementos tipo muro,

patrones de carga estática y carga sísmica, definir el espectro de respuesta,

casos de carga y combinaciones de carga.

3. Proceder al dibujo geométrico asignando previamente las características

correspondientes definidas en el numeral 2, posteriormente chequear

secciones de columnas, vigas, losas y muros con base al pre dimensionado

obtenido en el capítulo 3.

4. Obtener una vista geométrica renderizada de los sistemas estructurales

modelados.

111

Es importante tener en cuenta que estos modelos se basan en la geometría y

propiedades de materiales previamente definidos en el capítulo 3, es decir,

resistencia a la compresión del hormigón de 24 MPa, acero de refuerzo con límite

de fluencia de 420 MPa y para el caso de la estructura mixta perfiles de acero A36

tipo IPE disponibles en el mercado nacional.

En cuanto a la geometría típica utilizada para los modelos en hormigón armado, la

figura 3.26 muestra la configuración horizontal de los elementos estructurales en

una vista en planta y configuración vertical mediante vistas en elevación y en 3D

del Edificio.

Figura Nº 3. 26: Geometría del Edificio en Hormigón Armado.

Fuente: Modelo ETABS V 15.0.0.

Con el objeto de visualizar de forma esquemática este tipo de estructura la figura

3.27 indica el modelo renderizado del sistema estructural, mismo que tiene como

finalidad representar la magnitud del proyecto y su configuración geométrica una

vez definidos y asignados los elementos estructurales previamente dimensionados

durante el proceso de pre-diseño.

112

Figura Nº 3. 27: Vista Renderizada del Modelo en Hormigón Armado.


Con respecto a la geometría tipo de los modelos para la estructura mixta, cabe

reiterar que corresponde a la misma definida para el sistema estructural en hormigón

armado, considerando los cambios ya especificados anteriormente. Las figuras 3.28

y 3.29 presentan la geometría y el modelo renderizado del sistema estructural mixto.

113

Figura Nº 3. 28: Geometría del Edificio en Estructura Mixta.

Figura Nº 3. 29: Vista Renderizada del Modelo en Estructura Mixta.


114

3.3. ANÁLISIS DEL MODALEMIENTO ESTRUCTURAL

Una vez terminado los respectivos modelamientos estructurales, se procede a

analizar los resultados de cada sistema estructural en cuanto a su comportamiento

estático y dinámico, además deben ajustarse con base en la normativa nacional NEC

2015 en cuanto al chequeo de todos los requerimientos que en ésta se establecen.

Como aspecto importante el programa empieza a analizar cada una de las

estructuras e informará de algún error si existiere, caso contrario procederá a

entregar los resultados del modelamiento de manera exitosa para su revisión.

3.3.1. Consideraciones Generales para el Análisis

Es indispensable chequear los parámetros asignados durante la modelación del

sistema estructural ya que son parte fundamental para la obtención de resultados,

en este caso se verifican para el modelo 6, correspondiente al sistema estructural

Mixto con perfil de suelo tipo D.

3.3.1.1. Patrones de Carga

Se verifican los tipos de cargas asignadas; carga muerta D, carga permanente

adicional PP (por acabados, paredes, otras), carga viva L, cargas sísmicas en sentido

X e Y con sus respectivas excentricidades tanto positivas como negativas EX1,

EX2, EY1, EY2 respectivamente se encuentren asignadas; adicionalmente para este

tipo de estructura se incluye una carga sísmica vertical que se vincula cuando se

dispone de volados horizontales que podrían ser afectados durante un evento

sísmico.

Es importante tener en cuenta que la carga sísmica vertical se distribuye en el área

del volado en función de su peso tal como lo especifica la NEC 2015; se añade tal

como se indica en la figura 3.30:

115

Figura Nº 3. 30: Patrón de Cargas Estáticas y Dinámicas.

Fuente: Modelo ETABS V15.0.0.

En los tipos de carga sísmica el coeficiente basal inicial aplicado al sismo en la

dirección X y la dirección Y, durante la asignación del patrón de cargas tomando

en cuenta sus respectivas excentricidades tanto positivas como negativas, se

encuentra en función del período de vibración mínimo obtenido por el método 1 y

el método 2 de acuerdo a lo que establece la NEC-2015; para este caso se tiene el

coeficiente obtenido en la tabla 3.25 por medio de la ecuación 3.4 expresada en la

parte de análisis preliminar de este capítulo.

𝑉𝐸𝐻𝐴𝑆𝐵 = 0.276 𝑊 (3.17)

De donde el coeficiente relacionado con el período de vibración de la estructura k

calculado con la ecuación 3.14, corresponde al siguiente:

𝑘 = 1.092

116

3.3.1.2. Espectro de Respuesta

Con base al estudio planteado, para este caso se asigna el espectro de respuesta

reducido (inelástico) correspondiente al perfil de suelo tipo D tal y como se indica

en la figura 3.31.

Figura Nº 3. 31: Espectro de Respuesta Reducido, Perfil de Suelo Tipo D.


3.3.1.3. Casos de Carga

Definidos previamente, los casos de carga tipo estática lineal se definen las cargas

del espectro de respuesta en los sentidos X (U1) y Y (U2) con un factor de escala

resultado de la multiplicación del factor de importancia de la estructura por el valor

de la aceleración de la gravedad.

117

3.3.1.4. Combinaciones de Carga

La Norma Ecuatoriana de la Construcción en su capítulo Cargas (No Sísmicas)

sección 3.4.3, establece las combinaciones de cargas para el diseño por Última

Resistencia. Es importante mencionar que esta norma no considera

simultáneamente efectos de viento como de sismo, pero si considera que la

resistencia de diseño debe ser igual o exceder a los efectos de las cargas

incrementadas.

Las combinaciones básicas establecidas se muestran a continuación.

Combinación 1: 1.4D

Combinación 2: 1.2D + 1.6L + 0.5max [Lr; S; R]

Combinación 3: 1.2D + 1.6max [Lr; S; R] + max [L; 0.5W]

Combinación 4: 1.2D + 1.0W + L + 0.5max [Lr; S; R]

Combinación 5: 1.2D + 1.0E + L + 0.2S

Combinación 6: 0.9D + 1.0W

Combinación 7: 0.9D + 1.0E

En donde sus siglas corresponden a D carga permanente, E carga de sismo, L carga

viva, Lr carga viva de cubierta, S carga de granizo y W carga de viento.

De acuerdo a lo expresado en la NEC 2015, las combinaciones de carga definidas

para los dos tipos de sistemas estructurales se puntualizan en la tabla 3.34, indicada

a continuación:

Tabla Nº 3. 34: Combinaciones de Carga.

Nº NOMBRE COMBINACIÓN

1 U1 1.4D

2 U2 1.2D + 1.6L

118

3 U5 X1 1.2D + 1.0L + 1.0EX

4 U5 X2 1.2D + 1.0L − 1.0EX

5 U5 Y1 1.2D + 1.0L + 1.0EY

6 U5 Y2 1.2D + 1.0L − 1.0EY

7 U5 ESP X1 1.2D + 1.0L + 1.0ESPX

8 U5 ESP X2 1.2D + 1.0L − 1.0ESPX

9 U5 ESP Y1 1.2D + 1.0L + 1.0ESPY

10 U5 ESP Y2 1.2D + 1.0L − 1.0ESPY

Fuente: NEC-SE-CG, Cargas (No Sísmicas).

La figura 3.32 permite observar las combinaciones de carga planteados en la Tabla

3.34.

Figura Nº 3. 32: Definición de Combinaciones de Carga.

Elaborado: Autores.

3.3.1.5. Modos de Vibración

Los modos de vibración que experimenta una estructura son iguales al número de

grados de libertad o posibilidades de movimiento que presenta la misma, de acuerdo

a esto, se identifican dos desplazamientos por eje principal (X y Y) y un giro en Z.

119

En función del número de pisos y la altura libre de la estructura se distinguen 30

modos de vibración, este valor se asigna tal y como indica la figura 3.33.

Figura Nº 3. 33: Datos de Casos Modal.


Es importante tener en cuenta que el procedimiento dado en esta sección es el

mismo para los 5 modelos restantes, únicamente se diferencian en la asignación del

espectro de respuesta inelástica obtenidos para los perfiles de suelo B y C,

asignación del coeficiente de cortante basal y coeficiente relacionado con el período

de vibración de la estructura k.

3.3.2. Registro y Ejecución del Último Análisis

El análisis de resultados se basa en los dos métodos desarrollados, estático y

dinámico, tanto para los diseños en hormigón armado y estructura mixta.

120

Por lo cual, para cada uno de los modelos desarrollados se deben comprobar los dos

parámetros siguientes:

Período de vibración fundamental de la estructura, el mismo que permite

determinar el valor real del coeficiente basal de la estructura, coeficiente k,

del cortante basal y de la participación modal de la masa en la estructura.

Deformaciones, verticales para el caso de los volados, mediante el control

de deflexión máxima especificado en el Código ACI 318, y horizontales, las

mismas que son controladas a través de las derivas de piso, las cuales tienen

que ser menores al 2% como lo establece la NEC en su capítulo de Peligro

Sísmico.

3.3.2.1. Configuración Modal

Este tipo de configuración analiza la edificación estructuralmente aplicando el

análisis dinámico para determinar los diferentes modos de vibración o posibilidades

de movimiento que tiene la misma. Es importante tener en consideración que existe

una proporción lineal entre los modos de vibración y el número de grados de

libertad.

En cuanto a la participación modal de una estructura, ésta se recomienda que sea

del 90% de la masa, considerando que su 10% restante se distribuye en las

direcciones X o Y de la estructura. En términos generales para elementos regulares

para alcanzar este porcentaje de participación, es necesario considerar la suma de

los n modos de vibración obtenidos, mientras que para estructuras de carácter

irregular esta participación únicamente se encuentra en los tres primeros modos de

vibración.

Con respecto a la torsión en planta, su magnitud porcentual debe ser superior al 50

%, su presencia se da cuando existe un desfase entre el centro de masas y centro de

rigidez en cada nivel de piso de la edificación, es decir se encuentran en función del

centro de masas de las losas y la distribución de sus elementos estructurales

respectivamente.

121

Es de vital importancia tener en cuenta estas recomendaciones ya que constituyen

la base del comportamiento de la estructura en función de su período de vibración

para el chequeo sísmico de la misma, posterior chequeo de deformaciones y diseño

adecuado de la estructura.

3.3.2.2. Cortante Basal

Para el control de derivas de piso es importante tener en cuenta el siguiente criterio:

𝑇1 ≤ 𝑇𝑎 < 𝑇2 (3.18)

Si el período fundamental de la estructura se encuentra dentro de este intervalo se

garantiza un diseño en donde las derivas permanecen dentro de los límites

especificados en la NEC, con lo cual se consigue un diseño óptimo que presenta un

comportamiento adecuado ante el sismo de diseño.

Por lo contrario, si el período fundamental del sistema es menor que el calculado

por el método 1 o superior al método 2 de la normativa nacional NEC, se está

diseñando una estructura muy rígida y muy flexible respectivamente;

incrementándose los costos para su construcción y presentando derivas superiores

al 2% para cada uno de los casos.

3.3.2.3. Derivas de Piso

Esta definida por la NEC 2015 como el desplazamiento lateral relativo de un piso

por la acción de una carga horizontal con respecto al piso consecutivo, se encuentra

limitada por dos puntos situados verticalmente en esa misma alineación. Su valor

es la diferencia entre los desplazamientos superior e inferior.

La magnitud de las derivas para cada nivel de piso, correspondientes a los tipos de

estructura en estudio, se analiza en función de un pórtico central del sistema

estructural, con el objeto de obtener un valor promedio que evidencie el

comportamiento más cercano a la realidad de la estructura.

122

Consideración de Cálculo:

∆M Máx = 0.02

R = 8.00

En donde R corresponde al factor de reducción de resistencia sísmica.

A continuación, se analizan los resultados obtenidos para el sistema estructural tipo

considerado y se resume para cada uno de los modelos obtenidos.

3.3.2.4. Modelo Tipo: Estructura Mixta con Perfil de Suelo Tipo B

Participación Modal

La participación de la masa en los desplazamientos en las dos direcciones es

superior o en su defecto igual al 90% y en cuanto a la torsión su participación en

masa es superior al recomendado del 50%, esto con base a lo especificado en la

sección 3.3.2.1 Es importante mencionar que para los modelos tanto en hormigón

armado, como mixto este parámetro cumple a cabalidad de acuerdo a lo

especificado.

Cortante Basal Estático y Dinámico

En la Tabla 3.35 se identifican los cortantes basales estáticos y dinámicos del

sistema estructural, en donde el cortante basal dinámico es igual al 87% y el 87.2%

aproximadamente respecto del cortante basal estático en las direcciones X y Y

respectivamente.

123

Tabla Nº 3. 35: Cortante Basal Estático y Dinámico Acumulado.


Control de Derivas de Piso

En la Figura 3.34 es posible identificar el desplazamiento máximo obtenido por

aplicación de las cargas sísmicas estáticas, donde el piso que presenta mayor

vulnerabilidad es el quinto, cuyo valor se encuentra en el orden de 0.001634 y

0.002184 para la dirección Ex1 y Ey1, lo que significa que tiene una deriva máxima

de 0.98% y 1.31% respectivamente, cumpliendo con el porcentaje menor al

establecido en la NEC.

124

Figura Nº 3. 34: Deriva Máxima de Piso por Sismo en X y Y.


En la tabla 3.36 y la figura 3.35 se indican los resultados obtenidos de los cortantes

basales estáticos y dinámicos durante la ejecución del último análisis para cada una

de las estructuras modeladas en hormigón armado en función del tipo de perfil de

suelo asignado.

125

Tabla Nº 3. 36: Cortantes Basal Obtenidos para la EHA por Perfil de Suelo.

TIPO DE

ESTRUCTURA

PERFIL

DE

SUELO

CORTANTE

BASAL

ESTÁTICO

CORTANTE

BASAL

DINÁMICO

EX

Positivo

EY

Positivo

EX

Positivo

EY

Positivo

Hormigón

Armado

B 261.504 261.504 236.400 235.354

C 543.632 543.632 489.420 489.194

D 852.056 852.056 772.685 766.671

Fuente: Modelos ETABS V15.0.0.

En cuanto a los cortantes basales obtenidos de los modelos de estructura mixta, se

indican en la tabla 3.37 y figura 3.36.

Tabla Nº 3. 37: Cortantes Basal Obtenidos para la EM por Perfil de Suelo.

TIPO DE

ESTRUCTURA

PERFIL

DE

SUELO

CORTANTE

BASAL

ESTÁTICO

CORTANTE

BASAL

DINÁMICO

EX

Positivo

EY

Positivo

EX

Positivo

EY

Positivo

Mixta

B 215.369 215.370 198.034 196.772

C 497.590 497.592 447.684 447.892

D 763.511 763.486 684.711 680.940


Para identificar el incremento de la carga lateral, por nivel de piso, las figuras 3.35

y 3.46 muestran la distribución vertical de carga lateral y cortante respectivamente,

aplicadas a la estructura mixta con perfil de suelo tipo B:

126

Figura Nº 3. 35: Distribución Vertical de fuerzas Laterales de la EMSB.


Figura Nº 3. 36: Distribución del Cortante por piso de la EMSB.


127

Con respecto a las derivas obtenidas, las tablas 3.38 y 3.39 indican tanto los

desplazamientos laterales por el efecto sísmico en las direcciones X y Y como sus

correspondientes porcentajes.

Tabla Nº 3. 38: Resumen de Derivas de Piso Obtenidas para la Estructura de

Hormigón Armado por Perfil de Suelo.

TIPO DE

ESTRUCTURA

PERFIL

DE

SUELO

DESPLAZAMIENTO

LATERAL POR

SISMO

DERIVA DE PISO

EN %

EX

Positivo

EY

Positivo

EX

Positivo

EY

Positivo

Hormigón

Armado

B 0.001768 0.002059 1.061 1.235

C 0.002842 0.003065 1.705 1.840

D 0.003314 0.003142 1.988 1.885


Tabla Nº 3. 39: Resumen de Derivas de Piso Obtenidas para la Estructura Mixta

por Perfil de Suelo.

TIPO DE

ESTRUCTURA

PERFIL

DE

SUELO

DESPLAZAMIENTO

LATERAL POR

SISMO

DERIVA DE PISO

EN %

EX

Positivo

EY

Positivo

EX

Positivo

EY

Positivo

Mixta

B 0.001634 0.002184 0.980 1.310

C 0.002742 0.00306 1.645 1.834

D 0.003306 0.003221 1.984 1.933


128

Deflexiones

Corresponde a otro de los parámetros necesarios que permite conocer sin la

estructura se encuentra dentro de los niveles de deformación admisibles ante las

cargas aplicadas de acuerdo a la Norma Ecuatoriana de la Construcción. Para su

efecto, se debe chequear tanto la deformación vertical como el desplazamiento

lateral máximos aplicando las siguientes expresiones:

Deflexión vertical máxima: ∆V máx = L/480

Desplazamiento lateral máximo: ∆M máx = 0.020 x h /R

Para las cargas de servicio el desplazamiento vertical máximo de la viga de mayor

longitud se obtiene a continuación:

∆V máx = 540/480

∆V máx = 1.13 cm

Del análisis obtenido la deflexión vertical elástica de la viga es la siguiente:

∆V máx = 1.12 cm < 1.13cm O. K.

Con respecto al desplazamiento lateral por cada nivel de piso, las tablas 3.40 y 3.41

muestran su respectiva variación tanto para la carga de sismo en dirección X como

en Y, considerando que la altura de piso es de 2.88m y el factor de reducción sísmica

es 8.

129

Tabla Nº 3. 40: Derivas Inelásticas Sismo en X en la EMSB.

PISO ΔE ΔM CRITERIO

Planta 10 0.001473 0.88% ok

Planta 9 0.001519 0.91% ok

Planta 8 0.001579 0.95% ok

Planta 7 0.001629 0.98% ok

Planta 6 0.001652 0.99% ok

Planta 5 0.001634 0.98% ok

Planta 4 0.001558 0.93% ok

Planta 3 0.001409 0.85% ok

Planta 2 0.001169 0.70% ok

Planta 1 0.000755 0.45% ok

Planta B. 0.000155 0.09% ok

Elaborado: Autores.

Tabla Nº 3. 41: Derivas Inelásticas Sismo en Y en la EMSB.

PISO ΔE ΔM CRITERIO

Planta 10 0.002039 1.22% ok

Planta 9 0.002087 1.25% ok

Planta 8 0.002154 1.29% ok

Planta 7 0.002208 1.32% ok

Planta 6 0.002226 1.34% ok

Planta 5 0.002184 1.31% ok

Planta 4 0.00206 1.24% ok

Planta 3 0.001834 1.10% ok

Planta 2 0.001481 0.89% ok

Planta 1 0.001006 0.60% ok

Planta B. 0.000117 0.07% ok

Elaborado: Autores.

130

3.3.3. Cimentaciones

Para los modelos determinados en hormigón armado y estructura mixta la altura de

fundación de la cimentación a diseñar se encuentra en el N – 15.90m, es decir 1.50m

bajo el N – 14.40m aproximadamente, cabe señalar que esta profundidad será

variable de acuerdo al tipo de suelo y peso de la estructura.

Para los perfiles de suelo tipo B, C y D se considera una capacidad de carga del

suelo de 24 t/m2, 18 t/m2 y 12 t/m2 respectivamente, y con respecto a los elementos

de cimentación para cada estructura se ubican vigas de cimentación. Además para

su cálculo y diseño se utiliza el programa computacional SAFE Versión 12.3.2,

mismo que se basa en el método de elementos finitos y franjas para la determinación

de los resultados de diseño final.

Para el efecto, de cada modelo diseñado en el programa ETABS se exportan las

cargas netas, tanto muerta, viva, por sismo en las dos direcciones y originadas por

los espectros en la base de la estructura, de las cuales se considera únicamente la

más crítica.

Una vez exportados y guardados los valores, se importan en el programa SAFE en

donde pueden ser visualizados y permiten empezar el diseño de las vigas de

cimentación en función de las mismas.

Como parte demostrativa se desarrolla el diseño de la cimentación únicamente para

un tipo de estructura considerada como tipo, para este caso se ha seleccionado la

estructura mixta con perfil de suelo C, sin embargo se presentan los principales

parámetros de diseño de las cimentaciones tanto para la E.H.A. como E.M. para los

suelos tipo B, C y D. (VER ANEXO D)

3.3.3.1. Modelamiento de la Cimentación

El procedimiento seguido en SAFE para su modelación y diseño es el siguiente:

Definir materiales, tanto la resistencia a la compresión del hormigón como

el acero de refuerzo, para el primer caso se utilizará un hormigón de 24 MPa

131

con un módulo de elasticidad de 13500√𝑓′𝑐 utilizado para materiales

disponibles en la Ciudad de Quito.

Definir propiedades de la losa, de la viga, del suelo de cimentación y zonas

rígidas; así como también los patrones de carga, casos de carga y

combinaciones de carga de acuerdo a la Norma Ecuatoriana de la

Construcción 2015.

Asignar cada una de las propiedades definidas para cada uno de los

elementos en donde corresponda e iniciar el análisis y diseño definitivo.

Con el objeto de simular el efecto del suelo en el programa SAFE se define el

coeficiente de balasto, mismo que se asigna en elementos viga y zapatas o losa de

cimentación.

Para determinar este coeficiente se aplica la expresión expuesta por Bowles:

Kb = 120 ∗ σadm.suelo [T/m2] (3.19)

En donde:

Kb: Coeficiente de Balasto. [T/m2]

σadm.suelo: Esfuerzo admisible del suelo, [T/m2]

O se puede utilizar los coeficientes de módulo de reacción del suelo obtenidos por

Nelson Morrison tras múltiples ensayos de placa de 30x30cm para diferentes

capacidades de carga; mismos que para este caso corresponden a 2560 t/m3, 3640

t/m3 y 5000 t/m3 para capacidades de carga de suelo de 12 t/m2, 18 t/m2 y 25 t/m2,

valores utilizados para perfiles de suelo D, C y B respectivamente.

La figura 3.37 muestra la disposición geométrica de las vigas de cimentación en

planta.

132

Figura Nº 3. 37: Geometría de Vigas de Cimentación - Estructura Tipo.

Fuente: Modelo SAFE V12.3.2.

3.3.3.2. Análisis y Diseño de la Cimentación

Definido el elemento de cimentación en todos sus aspectos se realiza el respectivo

análisis mediante la obtención de diagramas de verificación para los casos de carga

de servicio, ultima resistencia y sismo, entre estos diagramas se tienen los

siguientes: el diagrama de deformación tal y como se indica en la figura 3.38,

diagramas de presión de la capacidad admisible del suelo (figura 3.39), diagramas

de corte y momento en vigas (figuras 3.40 y 3.41).

133

Figura Nº 3. 38: Diagramas de Deformación de la Cimentación.


Figura Nº 3. 39: Diagramas de Esfuerzo del Suelo.


134

Figura Nº 3. 40: Diagramas de Corte en Vigas de Cimentación.


Figura Nº 3. 41: Diagramas de Momentos en Vigas de Cimentación.


135

Verificado que todos los diagramas se encuentren dentro de los límites

especificados en las normativas y códigos tanto en esfuerzos como en

deformaciones se determina el diseño de cada una de las vigas (figura 3.42), el cual

se lleva a cabo mediante la verificación a corte y determinación del acero de

refuerzo por flexión de acuerdo a los momentos originados en cada una de las vigas.

Figura Nº 3. 42: Diseño de Vigas de Cimentación.


Elaborado: Autores.

3.4. DISEÑO ESTRUCTURAL

3.4.1. Criterios de Diseño Estructural

El diseño estructural es la parte fundamental de una edificación y constituye los

múltiples requerimientos técnicos que tiene que cumplir en función de las

solicitaciones que se presenten y se puedan presentar durante su vida útil.

136

Para cumplir el conjunto de solicitaciones y garantizar un nivel de seguridad y

comportamiento adecuado ante eventos inesperados, es necesario cumplir ciertos

lineamientos establecidos en normas nacionales e internacionales.

En el Ecuador la norma que regula y controla los proyectos hasta ser declarados

seguros para la construcción es la Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC,

misma que a su vez se encuentra respaldada por especificaciones internacionales

como el Código del Instituto Americano del Concreto ACI – 318.

3.4.1.1. Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC vigente 2015

Esta norma tiene como objetivo regular toda una serie de procedimientos para

cumplir las exigencias básicas de una estructura siguiendo criterios de salud y

seguridad, control y mantenimiento, diseño y montaje, consumo y eficiencia

energética, habitabilidad y responsabilidad de sus ocupantes; para su cumplimiento

es indispensable la participación de profesionales e instituciones públicas y

privadas debidamente capacitadas que se mantengan al margen de los

requerimientos normativos en todo proyecto estructural.

Es importante tener en cuenta que esta norma presenta requerimientos y

metodologías que son necesarias para aplicarlas en base a hipótesis de cálculo

adoptadas, escogiendo las mejores alternativas de diseño posterior a una correcta

toma de decisiones.

De acuerdo al Ministerio de Desarrollo Urbano y Vivienda MIDUVI, sus capítulos

básicamente contemplan la seguridad de los sistemas estructurales, habitabilidad y

salud basados en su funcionalidad y su distribución de servicios básicos.

Con respecto los capítulos modificados, publicados y que se encuentran en vigencia

desde el 10 de enero del 2015 son los siguientes:

NEC-SE-CG: Cargas (No Sísmicas)

NEC-SE-DS: Peligro Sísmico - Diseño Sismo Resistente

NEC-SE-RE: Riesgo Sísmico, Evaluación, Rehabilitación de Estructuras

NEC-SE-GC: Geotécnia y Cimentaciones

NEC-SE-HM: Estructuras de Hormigón Armado

137

NEC-SE-MP: Mampostería Estructural

NEC-SE-AC: Estructuras de Acero

NEC-SE-MD: Estructuras de Madera

NEC-HS-VIDRIO

NEC-SE-VIVIENDA: Viviendas de Hasta 2 Pisos con Luces de Hasta 5m.

3.4.1.2. Código del Instituto Americano del Concreto ACI – 318

La aplicación de este código es importante y de gran utilidad en el ámbito del diseño

estructural ya que consta de formulaciones, procedimientos y requisitos mínimos

que debe de cumplir un sistema estructural de hormigón armado en condiciones de

seguridad, además se utiliza como guía de diseño en zonas donde no cuentan con

un reglamento o normativa específica o no cuentan con la suficiente información

técnica de diseño y construcción.

Las especificaciones del Comité 318 American Concrete Institute (Código ACI-

318) a nivel nacional e internacional tienen como finalidad aprobar los diseños para

la construcción de todos los elementos estructurales, correspondientes a un sistema

estructural.

En el Ecuador, además de la aplicación de este código y ante la ausencia de

investigaciones correspondientes al diseño, de igual forma se han adoptado algunos

métodos y procedimientos establecidos por otras normativas vigentes a nivel

internacional como las citadas a continuación:

Especificaciones American Society for Testing and Materil Internacional

(ASTM Internacional)

Especificaciones American Institute of Steel Construction (AISC)

Especificaciones American Iron and Steel Institute (AISC)

Especificaciones del American Welding Society (AWS)

Especificaciones de la Federal Emergency Management Agency (FEMA

350).

138

3.4.2. Método de Diseño para E.H.A. y E.M.

3.4.2.1. Diseño por Última Resistencia

Este método denominado también de estado límite o resistencia última consiste en

determinar cargas factorizadas, mismas que se obtienen de la multiplicación de las

cargas de servicio por factores de carga o también considerados factores de

seguridad, usualmente este tipo cargas se originan en las secciones críticas de los

diferentes miembros estructurales bajo el concepto de su estado límite de trabajo.

Adicionalmente este método debe cumplir con las siguientes funciones:

La resistencia de diseño de un elemento estructural debe ser mayor o igual

a la resistencia requerida por el mismo elemento al considerar cargas

factorizadas.

Condición de estado límite de servicio del sistema estructural, la cual

controla los parámetros que se pueden originar ante eventos internos

(flexión, compresión, otras) y externos (vibraciones, oscilaciones, derivas,

otros) en la estructura, con la finalidad de garantizar su ocupación y uso en

condiciones de seguridad.

3.4.3. Diseño del Sistema Estructural en Hormigón Armado

Debido a que estudio contempla el diseño de seis modelos estructurales, únicamente

se desarrolla seleccionando un tipo para cada uno de los sistemas estructurales, para

los dos casos se selecciona el modelo en hormigón armado y mixto con perfil de

suelo tipo B.

Para aceptar el diseño obtenido por el ETABS como parte preliminar se verifican

los diagramas de corte, momento, torsión y axial tanto para las solicitaciones por

cargas de servicio, cargas por resistencia última y cargas sísmicas estáticas.

Posteriormente al diseñar la estructura se verifica si los elementos tales como vigas

y columnas no presentan sobre-esfuerzos por flexión o corte, además se chequea

las respectivas conexiones en el nudo garantizando la disposición columna fuerte –

viga débil a través de las condiciones citadas a continuación.

139

Capacidad de la viga respecto a la capacidad de la columna

Rigidez de la viga respecto a la columna

Capacidad del nudo

Además, con respecto al reforzamiento por corte no será chequeado por el programa

debido a presenta valores que no corresponden. En las figuras 3.43 a la 3.46 se

presentan todos los diagramas especificados en esta sección.



Elaborado: Autores

140


Resistencia.


Figura Nº 3. 45: Diagramas de Momento, Corte y Axial por Sismo en Xp.


141

Figura Nº 3. 46: Diagramas de Momento, Corte y Axial por Sismo en Yp.


Las figuras 3.47 y 3.48 indican la respectiva distribución de los diagramas de

momento, corte y axial para la combinación global por sismo en las direcciones X

y Y respectivamente.

Figura Nº 3. 47: Diagramas Globales de Momento, Corte y Axial por Sismo Xp.


142



Elaborado: Autores

3.4.3.1. Diseño De Vigas y Columnas

Diseño de vigas

Al diseñar estos elementos horizontales, el programa chequea en función de las

dimensiones dos parámetros fundamentales que son: la flexión y el corte para cada

una de las combinaciones realizadas y de acuerdo al código de diseño utilizado,

para este caso, al utilizar una versión del ETABS actualizada automáticamente los

diseños se encontrarán basados por el código ACI 318 -14, si existiere alguna

combinación de cargas que no pase el diseño por cualquiera de los dos parámetros

mencionados posterior a la finalización del diseño se marcarán automáticamente.

Las figuras 3.49 y 3.50 presentan el diseño de las vigas para la losa del nivel 1 y

subsuelo 3 respectivamente.

143

Figura Nº 3. 49: Diseño de Vigas, Planta 1.


Figura Nº 3. 50: Diseño de Vigas, Subsuelo 2.


144

Para aquellos casos de vigas que se identifiquen sobre-esforzadas ya sea por torsión

o corte es necesario aumentar la sección de la viga; para este caso la viga del volado

de dimensiones 30x50 correspondiente al nivel 5 presenta un problema a corte para

la combinación de Envolvente en dirección X, lo cual indica que es necesario

incrementar la sección a 30x60cm.

A continuación, se muestra el procedimiento típico de la verificación del diseño

para cada una de las vigas, el elemento horizontal tomado como base corresponde

a una viga tipo ubicada en la planta baja de la estructura, misma que se diseñó tanto

para el momento último negativo como para el momento último positivo (tabla

3.42).

Tabla Nº 3. 42: Resultado de Diseño para Viga Tipo EHASB

MATERIALES DESCRIPCIÓN

f’c: 240 Kg/cm2 Resistencia a compresión del hormigón.

Fy: 4200 Kg/cm2 Resistencia a la fluencia del acero.

Γh: 2.40 t/m3 Peso específico del hormigón.

Øf: 0.90 s.u. Factor de reducción de resistencia a flexión.

Β1: 0.85 s.u.

GEOMETRÍA DE LA VIGA

b 30 cm Base de la viga.

H 60 cm Altura de la viga.

Rec: 4 cm Recubrimiento libre.

d: 56.00 cm

Distancia desde la fibra extrema a

compresión hasta el centroide del refuerzo

longitudinal a tracción.

DISEÑO DE LA VIGA

Resultado: 7 Ø 16 mm Número de varillas requeridas.

Elaborado: Autores.

145

Diseño de columnas

El diseño de las columnas correspondiente a los sistemas estructurales en hormigón

armado se lleva a cabo considerando un tipo de sección en función de su ubicación

en toda la altura de la estructura, pese a que se está despreciando la reducción de

costos en volumen de hormigón, se optimizará los costos en función del acero de

refuerzo utilizado en el armado de la columna. En la figura 3.51 se presenta el

diseño de las columnas.

Figura Nº 3. 51: Diseño de Columnas. Elevación C.


Con respecto a la verificación del diseño de columnas, éste se lleva a cabo a través

del Diagrama de Interacción, mismo que se encuentra en función de la capacidad o

resistencia nominal a carga axial de compresión y la capacidad o resistencia

nominal a flexión de la columna (figura 3.52). Para el efecto, de la estructura en

146

análisis se ha considerado la columna central C5 del subsuelo 4 obteniendo los

siguientes resultados:

Tabla Nº 3. 43: Diseño de Columna Piso 1, Ejes 2-B.

CAPACIDAD DE LA SECCIÓN DE

COLUMNA 40x80

Pn Mn ØPn ØMn

741.94 0.00 482.26 0.00

741.94 25.59 482.26 16.64

657.69 37.60 427.50 24.44

547.39 48.03 355.81 31.22

422.09 56.73 274.36 36.87

271.60 65.10 176.54 42.32

187.20 60.59 141.81 45.90

83.22 52.87 74.90 47.58

-20.44 40.04 -18.39 36.04

-210.62 13.25 -189.56 11.93

-288.65 0.00 -259.78 0.00

SOLICITACIÓN DE CARGA

Pu: 159.61 T Mu: 4.64 T.m

Elaborado: Autores.

Figura Nº 3. 52: Diagrama de Interacción - Columna 45x90. EHASB

Elaborado: Autores.

4.64 T-m; 159.61 T

-400.00

-200.00

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00

Pn

(T)

Mn (T)

147

Como se explicó en la sección 3.4.3 sobre requerimientos del nudo (conexión viga

- columna), las figuras 3.53 y 3.54 permiten el chequeo y verificación en ETABS

de las condiciones columna fuerte – viga débil y nudo fuerte – viga débil.

Es importante mencionar que el diseño de las conexiones en este estudio no se

realiza, debido a que no se efectúa el diseño sismo resistente, sin embargo, se

muestra el análisis del nudo a través del programa ETABS, cumpliendo

satisfactoriamente sus condiciones de chequeo.


Elevación D.


Elaborado: Autores.

148


Elevación D.


Diseño de Muros de Corte

Para su diseño es importante tener en cuenta el siguiente procedimiento:

Definir un Pier Level específico para cada muro dispuesto en la estructura.

Asignar el reforzamiento general a todas las secciones Pier desde su sección

inferior hasta su sección superior.

Asignar de forma general el reforzamiento uniforme a todas las secciones

Pier a diseñar.

Seleccionar las respectivas combinaciones de diseño e iniciar el diseño de

los muros de corte.

De donde se obtiene la cantidad de acero requerido para cada uno de los muros de

acuerdo a su sección transversal en unidades de área tal y como se muestra en la

figura 3.55; además en la figura 3.56 se muestran sus respectivos diagramas de corte

por la fuerza sísmica en sus direcciones X y Y originada en el muro.

149

Figura Nº 3. 55: Diseño del Muro de Corte eje B en la EHASB.




Elaborado: Autores.

150

3.4.4. Diseño del Sistema Estructural Mixto

El diseño se empleará la estructura correspondiente al perfil del suelo B, en el cual

para aceptar el diseño obtenido por el ETABS como parte preliminar se debe

verificar los diagramas de corte, momento, torsión y axial tanto para las

solicitaciones por cargas de servicio, cargas por resistencia última y cargas sísmicas

estáticas por ser las más críticas. Posteriormente al diseñar la estructura se verificará

si los elementos tales como vigas, columnas no presentan sobre-esfuerzos por

flexión o corte, además de igual forma se chequea las respectivas conexiones en el

nudo garantizando la disposición columna fuerte – viga débil a través de las

condiciones ya citadas en el diseño del sistema estructural en hormigón armado. En

las figuras 3.57 a la 3.60 se presentan todos los diagramas especificados:



151


Resistencia.


Figura Nº 3. 59: Diagramas de Momento, Corte y Axial por Sismo en Xp.


152

Figura Nº 3. 60: Diagramas de Momento, Corte y Axial por Sismo en Yp.


Las figuras 3.61 y 3.62 indican la respectiva distribución de los diagramas de

momento, corte y axial para la combinación global por sismo en las direcciones X

y Y respectivamente.

Figura Nº 3. 61: Diagramas Globales de Momento, Corte y Axial por Sísmo Xp.


153



Diseño de Muro de Corte

Para el diseño del muro se realiza el mismo procedimiento indicado para el sistema

estructural de hormigón armado (figura 3.64), en donde se indica la cantidad de

acero longitudinal requerido; en cuanto a los diagramas de corte obtenidos se

indican en la figura 3.63.



154

Figura Nº 3. 64: Diseño del Muro de Corte eje B en la EHASB.


3.4.4.1. Diseño de Vigas y Columnas

Diseño de vigas de hormigón armado

Su diseño se fundamenta en base a los parámetros ya especificados que son la

flexión y el corte para cada una de las combinaciones realizadas y de acuerdo al

código de diseño utilizado, para este caso, al utilizar una versión del ETABS

actualizada automáticamente los diseños se encontrarán basados por el código ACI

318 -14, si existiere alguna combinación de cargas que no pase el diseño por

cualquiera de los dos parámetros mencionados posterior a la finalización del diseño

se marcarán automáticamente. La figura 3.65 presenta el diseño de las vigas para la

losa del nivel 2.88 y subsuelo 2.

155

Figura Nº 3. 65: Diseño de Vigas, Planta 1 y Subsuelo 2.


Para aquellos casos de vigas que se identifiquen sobre-esforzadas ya sea por torsión

o corte es necesario aumentar la sección de la viga; para este caso la viga del volado

de dimensiones 25x40 correspondiente al nivel 6 presenta un problema a corte para

la combinación de Envolvente en dirección Y, lo cual indica que es necesario

incrementar la sección a 30x50 cm.

A continuación, se muestra el procedimiento típico de la verificación del diseño

para cada una de las vigas, el elemento horizontal tomado como base corresponde

a la viga tipo ubicada en la planta baja de la estructura, misma que se diseñó tanto

para el momento último negativo como para el momento último positivo (tabla

3.44) respectivamente.

156

Tabla Nº 3. 44: Resultado de Diseño para Viga Tipo Suelo B.

MATERIALES DESCRIPCIÓN

f'c: 240.00 Kg/cm2 Resistencia a compresión del hormigón.

Fy: 4200.00 Kg/cm2 Resistencia a la fluencia del acero.

γh: 2.40 t/m3 Peso específico del hormigón.

Øf: 0.90 s.u. Factor de reducción de resistencia a

flexión.

β1: 0.85 s.u.

GEOMETRÍA DE LA VIGA

b 30.00 cm Base de la viga.

h 50.00 cm Altura de la viga.

rec: 4.00 cm Recubrimiento libre.

d: 46.00 cm Distancia desde la fibra extrema a

compresión

hasta el centroide del refuerzo long. a

tracción.

DISEÑO DE LA VIGA

Resultado 7 Ø 14 mm Número de varillas requeridas.

Elaborado: Autores.

Diseño de vigas metálicas

Estos elementos se diseñan con base a la norma AISC 360-10 y son chequeados

respecto a una escala de coeficientes de suficiencia en función de las combinaciones

de carga previamente establecidas.

Es importe tener en cuenta que el coeficiente de suficiencia para todo tipo de

elementos metálicos tales como vigas, correas, columnas debe ser menor a 1 ya que

relaciona directamente la solicitación vs la capacidad en cuanto a la interacción

simultánea de carga axial, momento y deformación.

De acuerdo al diseño, en la figura 3.66 se identifican las secciones óptimas de

perfiles metálicos para todo el sistema estructural; las cuales oscilan entre perfiles

IPE 300 para las plantas superiores al N + 0.00 e IPE 330 para las vigas más críticas

157

correspondientes a la planta baja y pisos de subsuelos, principalmente en los ejes 1-

2 y 5-6 de la geometría de la estructura.

Figura Nº 3. 66: Diseño de Vigas Metálicas, Planta 6 y Subsuelo 3.


Diseño de columnas

El diseño de las columnas correspondiente a los sistemas estructurales mixtos se

lleva a cabo considerando un tipo de sección de acuerdo a su ubicación en la

estructura, pese a que se está despreciando la reducción de costos en volumen de

hormigón, de igual forma que el sistema estructural en hormigón armado se

optimizará los costos en función del acero de refuerzo utilizado en el armado de la

columna. En la figura 3.67 se presenta el diseño de las columnas obtenido por medio

del software ETABS, además en las figuras posteriores se presenta los resultados

de las conexiones viga – columna para el pórtico C de la estructura.

158

Figura Nº 3. 67: Diseño de Columnas. Elevación D.


Con respecto a la verificación del diseño de columnas, su verificación se lleva a

cabo a través del Diagrama de Interacción, mismo que se encuentra en función de

la capacidad o resistencia nominal a carga axial de compresión y la capacidad o

resistencia nominal a flexión de la columna (tabla 3.45 y figura 3.68). Para el efecto,

de la estructura en análisis se ha considerado la columna central C5 del subsuelo 4

obteniendo los siguientes resultados:

159

Tabla Nº 3. 45: Diseño de Columna Sub 4, Ejes 5-C

CAPACIDAD DE LA SECCIÓN DE

COLUMNA 45x90

Pn Mn ØPn ØMn

782.62 0.00 508.70 0.00

782.62 27.02 508.70 17.56

724.26 41.72 470.77 27.12

609.92 53.46 396.45 34.75

488.97 61.41 317.83 39.91

350.67 66.62 227.93 43.30

264.91 62.95 200.69 47.69

169.14 54.63 152.22 49.17

63.28 41.29 56.95 37.16

-66.94 19.84 -60.25 17.86

-170.10 0.00 -153.09 0.00

SOLICITACIÓN DE CARGA

Pu: 185.43 T Mu: 5.58 T.m

Elaborado: Autores.

Figura Nº 3. 68: Diagrama de Interacción - Columna 45x90. EHASB

Elaborado: Autores.

5.58 T-m; 185.43 T

-400.00

-200.00

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00

Pn

(T)

Mn (T)

160

Como se explicó en la sección 3.4.3 sobre el chequeo del nudo (conexión columna

fuerte – viga débil), las figuras 3.69 y 3.70 permiten el chequeo y corroboran el

diseño de las columnas para este tipo de estructura.

Además, para garantizar el diseño de la conexión es necesario realizar un análisis

del nudo aplicado ciertos parámetros como: control de deterioro de adherencia,

resistencia al cortante horizontal, resistencia al cortante vertical y chequeo del

refuerzo de confinamiento; los cuales deben cumplir con los requisitos dispuestos

en el código ACI 318, pero que no se realizaron en este estudio. Sin embargo, se

realiza el chequeo del nudo correspondiente con el programa ETABS cumpliendo

satisfactoriamente cada una de sus condiciones de análisis planteadas tal y como se

muestra en las figuras 3.69 y 3.70.


Elevación D.


161

Es importante tener en cuenta que durante el chequeo de la capacidad de la viga

respecto a la capacidad de columna los coeficientes visibles por conexión o nudo

presenten valores menores a cero, ya que dichos coeficientes aseguran una conexión

resistente a esfuerzos transmitidos por los elementos estructurales ante las

combinaciones de carga.


Elevación D.


3.4.5. Resultados del Diseño Estructural

Terminado el diseño de los elementos estructurales correspondientes a cada sistema

estructural se determina la cantidad de acero corrugado requerido por cada

elemento, para su obtención se desarrollan planos referenciales, los cuales

únicamente sirven para determinar esta finalidad y obtener el respectivo costo

económico en función del precio unitario de cada material. Para la estructura mixta

además de determinar el acero en varillas de refuerzo, se calculará la cantidad de

vigas de acero (IPE 300 e IPE 330) en Kg y en función de su precio unitario se

conseguirá el costo total. Este procedimiento se desarrolla para cada tipo de

estructura.

162

Las tablas que se indican a continuación muestran de forma resumida las secciones

de vigas, columnas y muros resultados del diseño de cada una de las estructuras en

el programa ETABS. Para los modelos correspondientes a los suelo C y D tanto

para las estructuras de hormigón armado y mixta. (VER ANEXO E)

3.4.5.1. Resumen de Materiales

Modelo 1: Sistema Estructural de Hormigón Armado con Perfil de Suelo Tipo B.

Tabla Nº 3. 46: Resultados de Diseño de Losa en Todas las Plantas.

DISEÑO DE LOSAS - TODAS LAS PLANTAS

MATERIALES

Resistencia a compresión del hormigón f'c: 24.00 MPa

Resistencia a la fluencia del acero. fy: 420.00 MPa

Módulo de elasticidad del hormigón. Es:

209141.00 MPa

GEOMETRÍA DE LOSAS BIDERECCIONALES

LOSA TIPO:

Altura de losa. h: 20.00 cm

Ancho del nervio. bw: 10.00 cm

ARMADO DE LOSAS BIDERECCIONALES

TIPO 1: Perimetrales

Acero de refuerzo en dirección X. 1.00 Ø 12.00 mm

Acero de refuerzo en dirección Y. 1.00 Ø 12.00 mm

Elaborado: Autores.

163

Tabla Nº 3. 47: Resultados de Diseño de Vigas en Todas las Plantas.

DISEÑO EN VIGAS - TODAS LAS PLANTAS

MATERIALES


Resistencia a la fluencia del acero.

fy: 420.00 MPa

Módulo de elasticidad del hormigón. Es: 209141.00 MPa

GEOMETRÍA DE VIGAS


Base de viga b: 25.00 cm

Altura de viga. h: 40.00 cm

TIPO 2: Centrales



ARMADO DE VIGAS


Armadura superior. As1: 3.00 Ø 12 mm

Armadura inferior. As2: 3.00 Ø 12 mm

TIPO 2: Centrales



Elaborado: Autores.

164

Tabla Nº 3. 48: Resultados de Diseño de Columnas en todos los Pisos.

RESULTADOS DE DISEÑO DE COLUMNAS

MATERIALES



fy: 420.00 MPa


GEOMETRÍA DE COLUMNAS

TIPO 1:

Base de columna. b: 40.00 cm

Altura de columna. h: 80.00 cm

TIPO 2:



TIPO 3: Perimetrales de Subsuelos



ARMADO DE COLUMNAS

TIPO 1:

Armadura longitudinal. 14 Ø 25 mm

TIPO 2:




Elaborado: Autores.

165

Tabla Nº 3. 49: Resultados de Diseño de Muros de Corte.

DISEÑO DE MURO DE CORTE

MATERIALES



fy: 420.00 MPa


ARMADO DE MUROS

Muro en Gradas

Armadura longitudinal por altura de piso. As req: 67.50 cm2

Muros en Ascensor


Muros de Corte


Muros de Subsuelo


Elaborado: Autores.

Tabla Nº 3. 50: Resultados de Diseño de Vigas de Cimentación.

RESULTADOS DE DISEÑO DE VIGAS DE CIMENTACIÓN TIPO T

MATERIALES

Resistencia a compresión del hormigón. f'c: 24.00 MPa


fy: 420.00 MPa


GEOMETRÍA DE VIGAS

GENERAL:

Ancho superior del alma. bw: 40.00 cm

Ancho inferior del alma. bw: 40.00 cm


Ancho del ala. b: 120.00 cm

Espesor del ala. hf: 30.00 cm

ARMADO DE VIGAS

Armadura en Alma de Viga. As1: 12 Ø 20 mm

Armadura en Alas de la Viga. As2: 6 Ø18 + 6 Ø14

Elaborado: Autores

166

Modelo 2: Sistema Estructural Mixto con Perfil de Suelo Tipo B.

Tabla Nº 3. 51: Resultados de Diseño de Losa en Todas las Plantas.


MATERIALES


Resistencia a la fluencia del acero. fy: 420.00 MPa



LOSA TIPO:

Altura de loseta. h: 6.00 cm

Altura Deck. hd: 5.00 cm

Elaborado: Autores.

Tabla Nº 3. 52: Resultados de Diseño de Vigas en Todas las Plantas.


MATERIALES



fy: 420.00 MPa


GEOMETRÍA DE VIGAS




TIPO 2: Centrales



ARMADO DE VIGAS


Armadura superior. As1: 3 Ø 14 mm

Armadura inferior. As2: 2 Ø 14 mm

TIPO 2: Centrales

Armadura superior. As1: 4 Ø 14 mm

Armadura inferior. As2: 3 Ø 14 mm

Elaborado: Autores.

167

Tabla Nº 3. 53: Resultados de Diseño de Columnas en todos los Pisos.


MATERIALES



fy: 420.00 MPa



TIPO 1: Principales

Base de columna. b: 40.0.0 cm





ARMADO DE COLUMNAS

TIPO 1: Principales




Elaborado: Autores.

Tabla Nº 3. 54: Resultados de Diseño de Muros de Corte.


MATERIALES



fy: 420.00 MPa


ARMADO DE MUROS

Muro en Gradas


Muros en Ascensor


Muros de Corte


Muros de Subsuelos


Elaborado: Autores.

168

Tabla Nº 3. 55: Resultados de Diseño de Vigas de Cimentación.


MATERIALES

Resistencia a compresión del hormigón. f'c: 24.00 MPa


fy: 420.00 MPa


GEOMETRÍA DE VIGAS

GENERAL:

Ancho superior del alma. bw: 35.00 cm

Ancho inferior del alma. bw: 35.00 cm


Ancho del ala. b: 110.00 cm

Espesor del ala. hf: 30.00 cm

ARMADO DE VIGAS

Armadura en alma de Viga. As1: 11 Ø 18 mm

Armadura en alas de Viga As2: 6Ø18 + 6 Ø14

Elaborado: Autores.

169

4. CAPITULO IV

ANÁLISIS ECONÓMICO Y TÉCNICO - ECONÓMICO

4.1. ANÁLISIS ECONÓMICO

El análisis económico de cada una de las estructuras de hormigón armado y

estructura mixta se determina en base a la cuantificación de los materiales utilizados

y en función de un previo análisis de costos, basado en la identificación de rubros

con sus respectivos precios unitarios concernientes a equipo, mano de obra, material

y transporte los cuales permitan obtener el presupuesto de cada estructura; es

importante mencionar que dicho análisis no contempla ni mide el beneficio costo

post – construcción de cada una de las estructuras.

Para este estudio debido a que permite identificar la implantación del tipo de

estructura más conveniente de acuerdo al tipo de perfil de suelo en las diferentes

zonas del Distrito Metropolitano de Quito, es suficiente obtener el presupuesto

aproximado de cada una de las estructuras, mismo que para este caso dependerá del

volumen en m3 de hormigón simple, acero de refuerzo en Kg y acero estructural

A36 donde corresponda.

Cabe indicar que los presupuestos obtenidos inmiscuyen única y exclusivamente

aquellos gastos que se involucran directamente a la aplicación del proyecto

específico considerado, conocido también como costo directo por estructura.

4.1.1. Criterios de Análisis

Para obtener el presupuesto de las estructuras diseñadas, es fundamental hacer un

estudio preliminar del costo de los materiales que se involucran en cada rubro de

construcción, que a su vez es previamente definido en base a los requerimientos del

proyecto. Para este proyecto se consideran netamente los costos de equipo, mano

de obra y material indispensable para la ejecución de cada estructura.

170

Una vez obtenidos los costos necesarios se realiza un análisis de precios unitarios

(APUS) para cada rubro determinado, este análisis da como resultado el costo de la

ejecución de un rubro por unidad de medida que al multiplicar por el volumen total

de material se consigue como resultado el costo total del rubro, de esta manera al

sumar el costo de todos los rubros se obtiene el costo total para cada estructura.

4.1.2. Análisis de Costos

Considerando que el análisis de costos constituye la evaluación del conjunto de

procesos adoptados para llevar a cabo un proyecto específico, en este estudio se ha

contemplado dichos análisis inmiscuyendo características de aproximación,

específicas, dinámicas, inductivas y anteriores – posteriores.

Es importante tener en cuenta que dichas características se toman en cuenta debido

a que posterior al análisis de precios unitarios y de sus respectivos componentes, se

determinan los balances del presupuesto general de cada estructura.

Es decir el costo entre estructuras será: aproximado (considerando que utiliza

diferentes procesos de construcción en cuanto al tipo de estructura para un suelo

específico), específico (teniendo en cuenta que para el análisis de precios se utilizó

los precios del boletín de la Cámara de la Industria de la Construcción perteneciente

al mes de abril 2016 y su análisis es para el DMQ.), dinámicos (el avance periódico

del tiempo puede modificar los costos obtenidos de cada estructura), inductivo (el

presupuesto de cada estructura se determinó a partir del costo conocido de cada

proceso realizado), y anteriores – posteriores (costos previos correspondientes a la

utilización de un material).

4.1.3. Rubros Considerados

Los rubros tanto para estructura de hormigón armado como para la estructura mixta,

se han dividido en tres grupos, movimiento de tierras, subestructura y

superestructura, obteniéndose 9 rubros para la estructura de hormigón armado y 10

para la estructura mixta, mismos que pertenecen únicamente al ámbito estructural

como se muestra en las tablas 4.1 y 4.2 respectivamente.

171

Tabla Nº 4. 1: Rubros para Estructura de Hormigón Armado.

RUBRO DESCRIPCIÓN UNIDAD

MOVIMIENTO DE TIERRAS

E1001 Excavación y Desalojo a Máquina m3

E1002 Replantillo de Hormigón Simple f'c = 180 Kg/cm2 m3

SUBESTRUCTURA

E1003 Hormigón en Muros f'c = 24 MPa m3

E1004 Hormigón de Cimentación f'c = 24 MPa m3

E1005 Acero de Refuerzo Fy = 420 MPa Kg

SUPERESTRUCTURA

E1006 Hormigón en Columnas f'c = 24 MPa m3

E1007 Hormigón en Muros de Corte f'c = 24 MPa m3

E1008 Hormigón en Losas f'c = 24 MPa m3

E1009 Hormigón en Vigas f'c = 24 MPa m3


Elaborado: Autores.

Tabla Nº 4. 2: Rubros para Estructura Mixta.

RUBRO DESCRIPCIÓN UNIDAD


E1001 Excavación y Desalojo a Máquina m3

E1002 Replantillo de Hormigón Simple f'c = 180 Kg/cm2 m3

SUBESTRUCTURA

E1003 Hormigón en Muros f'c = 24 MPa m3

E1004 Hormigón de Cimentación f'c = 24 MPa m3


SUPERESTRUCTURA

E1006 Hormigón en Columnas f'c = 24 MPa m3

E1007 Hormigón en Muros de Corte f'c = 24 MPa m3

E1008 Hormigón en Losas f'c = 24 MPa m3

E1009 Hormigón en Vigas f'c = 24 MPa m3


E1010 Acero Estructural A36 Fy = 254 MPa Kg

Elaborado: Autores.

172

4.1.4. Análisis de Precios Unitarios.

Los precios unitarios, básicamente representan el costo de los volúmenes de obra

por unidad de medida, en este costo se considera los parámetros ya descritos

anteriormente correspondientes al equipo y herramientas necesarias, mano de obra,

materiales y de ser el caso transporte; de forma general los precios unitarios quedan

definidos en unidades de dólares tanto para m3 y kilogramos de acero.

Los análisis de precios unitarios que se presentan son aplicables a los dos tipos de

estructuras exceptuando el rubro E1010 correspondiente al Acero Estructural A36,

mismo que únicamente es aplicable a la estructura mixta, en donde se utiliza equipo

de soldadura, perfiles metálicos y personal especializado en montaje de este tipo de

material.

Cabe indicar que para los análisis de precios unitarios se ha utilizado el boletín de

la Cámara de la Industria de la Construcción perteneciente al mes de abril 2016,

además, el costo horario de la mano de obra se ha obtenido del boletín emitido por

la contraloría general del estado, salarios mínimos por ley de enero 2016. (Ver

anexo F)

Uno de los parámetros más importantes cuya determinación influye directamente

en el costo de la estructura es el rendimiento, mismo que se lo define como la

cantidad de obra ejecutada por una cuadrilla en un tiempo determinado. Entre los

rendimientos que se involucran directamente en el análisis de precios se encuentran

los siguientes: por equipos (cuyo valor es proporcionado por el fabricante o en

función del tipo de proyecto ajustado al personal existente) y mano de obra (valor

obtenido del análisis de tiempos y movimientos del personal en la obra, obras

similares o antecedentes históricos referenciales). En cuanto a los materiales, el

valor de rendimiento no tiene influencia ya que carece de variación útil.

Su estimación principalmente se evalúa en base a la experiencia o en referencia a

un manual de costos establecido por instituciones nacionales dedicadas al ámbito

de la construcción de acuerdo al trabajo realizado en obra para una actividad

definida. La primera forma para su obtención principalmente es aplicada por

173

empresas constructoras, mientras que la segunda generalmente es adoptada por

constructores independientes.

Para este caso al tratarse de un estudio comparativo entre estructuras se utilizará los

rendimientos referenciados en la Cámara de la Industria de la Construcción.

De acuerdo a los rubros considerados en las tablas 4.1 y 4.2 se indica el análisis de

precios unitarios para cada uno de ellos respecto al mismo orden identificado en

dichas tablas.

Tabla Nº 4. 3: Rubro – Excavación y Desalojo a Máquina.

PROYECTO: ESTRUCTURA CENTRUM CURIE

ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS

CÓDIGO: E1001 RUBRO: Excavación y Desalojo a Máquina UNIDAD: m3

EQUIPOS

DESCRIPCIÓN CANTIDAD TARIFA COSTO HORA RENDIMIENTO COSTO

A B C= A x B R D= C x R

Herramienta menor 1.00 0.60 0.60 0.05 0.03 Retroexcavadora de Oruga 1.00 80.00 80.00 0.02 1.60 Volqueta de 8m3 1.00 30.00 30.00 0.05 1.50

SUBTOTAL M: 3.13

MANO DE OBRA

DESCRIPCIÓN CANTIDAD JORNAL/HR COSTO HORA RENDIMIENTO COSTO


Peón 1.00 3.26 3.26 0.08 0.26

Maestro de Obra 1.00 3.66 3.66 0.06 0.22

SUBTOTAL N 0.48

MATERIAL

DESCRIPCIÓN UNIDAD CANTIDAD P. UNITARIO COSTO

A B C= A x B

SUBTOTAL O 0.00

TRANSPORTE

DESCRIPCIÓN UNIDAD DISTANCIA CANTIDAD TARIFA COSTO

A B C C= A x B x C

SUBTOTAL P 0.00 TOTAL COSTO DIRECTO (M+N+O+P) 3.61 INDIRECTOS Y UTILIDADES: 15.00% 0.54 OTROS INDIRECTOS: 0.00 COSTO TOTAL DEL RUBRO: 4.15 VALOR OFERTADO: 4.15

Elaborado: Autores.

174

Tabla Nº 4. 4: Rubro – Replantillo Hormigón Simple f’c=18 MPa.



CÓDIGO: E1002 RUBRO: Replantillo de Hormigón Simple f'c = 18 MPa UNIDAD: m3

EQUIPOS



Herramienta menor 2.00 0.80 1.60 1.00 1.60

Vibrador 1.00 4.50 4.50 0.50 2.25

SUBTOTAL M: 3.85

MANO DE OBRA



Maestro de Obra 1.00 3.66 3.66 0.75 2.75 Peón 6.00 3.26 19.56 0.75 14.67 Ayudante 2.00 3.26 6.52 0.75 4.89

Albañil 2.00 3.30 6.60 0.75 4.95

SUBTOTAL N 27.26

MATERIAL


A B C= A x B

Hormigón Simple f'c = 18 MPa m3 1.00 87.00 87.00 (provisión, transporte y bomba)

SUBTOTAL O 87.00

TRANSPORTE


A B C C= A x B x C


Elaborado: Autores.

175

Tabla Nº 4. 5: Rubro – Hormigón en Muros f’c= 24 MPa.



CÓDIGO: E1003

RUBRO: Hormigón en Muros f'c = 24 MPa UNIDAD: m3

EQUIPOS



Herramienta menor 2.00 0.60 1.20 1.00 1.20 Vibrador 1.00 3.00 3.00 0.60 1.80

SUBTOTAL M: 3.00

MANO DE OBRA




Albañil 8.00 3.30 26.40 0.60 15.84

SUBTOTAL N 39.55

MATERIAL


A B C= A x B

Hormigón f'c = 24 MPa

m3 1.00 95.00 95.00

(provisión, transporte y bomba)

Encofrados con madera contrachapada y alfajías m2 1.00 2.69 2.69 Incluyendo puntales, alambre, clavos, otros. Encofrado y Desencofrado

SUBTOTAL O 97.69

TRANSPORTE


A B C C= A x B x C


Elaborado: Autores.

176

Tabla Nº 4. 6: Rubro – Hormigón en Vigas de Cimentación f’c= 24 MPa.



CÓDIGO: E1004

RUBRO: Hormigón en Cimentación f'c = 24 MPa UNIDAD: m3

EQUIPOS



Herramienta menor 2,00 0,80 1,60 1,00 1,60 Vibrador 1,00 3,00 3,00 1,00 3,00

SUBTOTAL M: 4,60

MANO DE OBRA



Maestro de Obra 1,00 3,57 3,57 0,80 2,86 Peón 8,00 3,18 25,44 0,80 20,35 Ayudante 3,00 3,18 9,54 0,80 7,63

Albañil 8,00 3,22 25,76 0,80 20,61

SUBTOTAL N 51,45

MATERIAL


A B C= A x B


m3 1,00 95,00 95,00


Encofrados con madera contrachapada m3 1,00 1,69 1,69 Incluyendo puntales, alambre, clavos, otros. Encofrado y Desencofrado

SUBTOTAL O 96,69

TRANSPORTE


A B C C= A x B x C

SUBTOTAL P 0,00 TOTAL COSTO DIRECTO (M+N+O+P) 152,74 INDIRECTOS Y UTILIDADES: 22,00% 33,60 OTROS INDIRECTOS: 0,00 COSTO TOTAL DEL RUBRO: 186,34 VALOR OFERTADO: 186,34

Elaborado: Autores.

177

Tabla Nº 4. 7: Rubro – Acero de Refuerzo.



CÓDIGO: E1005

RUBRO: Acero de Refuerzo Fy = 420 MPa UNIDAD: Kg

EQUIPOS



Herramienta menor 2.00 0.60 1.20 0.01 0.01 Cizalla 1.00 2.40 2.40 0.01 0.02

SUBTOTAL M: 0.04

MANO DE OBRA




SUBTOTAL N 0.61

MATERIAL


A B C= A x B

Acero de Refuerzo fy = 420 MPa Kg 1.05 0.95 1.00 Alambre Galvanizado 18

Kg 0.05 1.25 0.07

SUBTOTAL O 1.06

TRANSPORTE


A B C C= A x B x C


Elaborado: Autores.

178

Tabla Nº 4. 8: Rubro – Hormigón en Columnas f’c= 24 MPa.



CÓDIGO: E1006

RUBRO: Hormigón en Columnas f'c = 24 MPa UNIDAD: m3

EQUIPOS




SUBTOTAL M: 4.20

MANO DE OBRA




Albañil 2.00 3.30 6.60 0.40 2.64

SUBTOTAL N 11.93

MATERIAL


A B C= A x B

Hormigón f'c = 24 MPa m3 1.00 95.00 95.00 (provisión, transporte y bomba) Encofrados m2 1.00 2.69 2.69

SUBTOTAL O 97.69

TRANSPORTE


A B C C= A x B x C


Elaborado: Autores.

179

Tabla Nº 4. 9: Rubro – Hormigón en Diafragmas f’c= 24 MPa.



CÓDIGO: E1007

RUBRO: Hormigón en Muros de Corte f'c = 24 MPa

UNIDAD: m3

EQUIPOS




SUBTOTAL M: 5.70

MANO DE OBRA



Maestro de Obra 1.00 3.66 3.66 0.60 2.20 Peón 8.00 3.26 26.08 0.60 15.65

Ayudante 2.00 3.26 6.52 0.60 3.91 Albañil 8.00 3.30 26.40 0.60 15.84

SUBTOTAL N 37.60

MATERIAL


A B C= A x B


m3 1.00 95.00 95.00


Encofrados de Madera Contrachapada m2 1.00 2.69 2.69 Incluye alambre, clavos, puntales, otros Encofrado y Desencofrado

SUBTOTAL O 97.69

TRANSPORTE


A B C C= A x B x C


Elaborado: Autores.

180

Tabla Nº 4. 10: Rubro - Hormigón en Losa f’c= 24 MPa.



CÓDIGO: E1008

RUBRO: Hormigón en Losa f’c=24 MPa UNIDAD: m3

EQUIPOS



Herramienta menor 2.00 0.60 1.20 0.01 0.01 Bomba 1.00 10.85 10.85 0.01 0.11

SUBTOTAL M: 0.12

MANO DE OBRA



Peón 4.00 3.26 13.04 1.88 24.45 Alvanil 3.00 3.30 9.90 1.00 9.90 Maestro Mayor 1.00 3.66 3.66 0.90 3.29

Carpintero 2.00 3.30 6.60 1.00 6.60

SUBTOTAL N 44.24

MATERIAL


A B C= A x B

Cemento Kg 360.00 0.15 54.00 Arena m3 0.65 20.00 13.00 Ripio m3 0.95 20.00 19.00 Agua m3 0.22 1.00 0.22

Encofrado de losa m2 7.73 3.50 27.06

SUBTOTAL O 113.28

TRANSPORTE


A B C C= A x B x C


Elaborado: Autores.

181

Tabla Nº 4. 11: Rubro – Hormigón en Vigas f’c= 24 MPa.



CÓDIGO: E1009

RUBRO: Hormigón en Vigas f'c = 24 MPa UNIDAD: m3

EQUIPOS




SUBTOTAL M: 3.78

MANO DE OBRA




Albañil 2.00 3.30 6.60 0.30 1.98

SUBTOTAL N 6.99

MATERIAL


A B C= A x B

Hormigón f'c = 24 MPa m3 1.00 95.00 95.00 (provisión, transporte y bomba) Encofrados m2 1.00 2.69 2.69

SUBTOTAL O 97.69

TRANSPORTE


A B C C= A x B x C


Elaborado: Autores.

182

Tabla Nº 4. 12: Rubro – Acero Estructural A36.



CÓDIGO: E1010

RUBRO: Acero Estructural A36 Fy = 254 MPa UNIDAD: Kg

EQUIPOS



Herramienta menor 2.00 0.60 1.20 0.01 0.01 Moladora, Plasma y Otros 1.00 7.40 7.40 0.01 0.07

SUBTOTAL M: 0.09

MANO DE OBRA



Maestro de Soldaduras

0.05 3.66 0.18 0.12 0.02

Soldador 0.50 3.30 1.65 0.12 0.20

Ayudante 1.00 3.26 3.26 0.12 0.39

SUBTOTAL N 0.61

MATERIAL


A B C= A x B

Acero Estructural A36 fy = 254 MPa

Kg 1.00 1.75 1.75

Soldadura E7018, E6011, E6010 Kg 0.03 5.60 0.17

Pintura Anticorrosiva Kg 0.01 6.20 0.07

SUBTOTAL O 1.89

TRANSPORTE


A B C C= A x B x C


Elaborado: Autores.

183

4.1.5. Presupuestos por Tipo de Estructura y Perfil de Suelo

El presupuesto de un proyecto es el parámetro más determinante al momento de

decidir la ejecución del mismo, ya que a través de la cuantificación, el análisis de

los costos que involucra (precios unitarios) y la aplicación de dicho análisis de costo

a la cuantificación, se puede determinar de forma aproximada el gasto real en

condiciones de tiempo definido.

Para generar el presupuesto básicamente se requiere tener los volúmenes de obra,

los mismos que se obtendrán del diseño de cada estructura y de planos referenciales,

a los cuales se les asignará un precio específico según el análisis de precios

unitarios.

Al momento de considerar el presupuesto general del proyecto se debe tener en

cuenta los costos indirectos, los cuales corresponden a los costos que se genera por

el personal administrativo, vigilancia, adquisición de equipos de seguridad,

bodegas, entre otros.

En las tablas 4.13, 4.14 y 4.15 se presenta los rubros pertenecientes a la estructura

mixta, volúmenes de materiales, costo unitario y total para la estructura con suelos

B, C, y D respectivamente. De igual manera en las tablas 4.16, 4.17 y 4.18 se

presentan los rubros pertenecientes a la estructura Hormigón armado, volúmenes

de materiales, costo unitario y total para la estructura con suelos B, C, y D, además,

la tabla 4.19 muestra de forma resumida los costos de materiales de acuerdo al tipo

de estructura y perfil de suelo.

184

Tabla Nº 4. 13: Presupuesto para la Estructura Mixta – Suelo Tipo B.

RUBRO DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD PRECIO

UNITARIO SUBTOTAL TOTAL

MOVIMIENTO DE TIERRAS 25857.46

E1001 Excavación y Desalojo a Máquina m3 5076.86 4.15 21068.99

E1002 Replantillo de Hormigón Simple f'c = 180 Kg/cm2 m3 35.26 135.82 4788.47

SUBESTRUCTURA 88035.49

E1003 Hormigón en Muros f'c = 24 MPa m3 226.94 161.28 36601.53

E1004 Hormigón en Vigas f'c = 24 MPa m3 140.49 186.34 26178.53

E1005 Acero de Refuerzo Fy = 420 MPa Kg 12885.42 1.96 25255.43

SUPERESTRUCTURA 594667.16

E1006 Hormigón en Columnas f'c = 24 MPa m3 121.31 130.89 15877.69

E1007 Hormigón en Muro de Corte f'c = 24 MPa m3 393.98 162.13 63876.63

E1008 Hormigón en Losa f'c = 24 MPa m3 247.14 181.29 44804.88



E10010 Acero Estructural A36 Fy = 254 MPa Kg 68775.45 2.75 189132.49

TOTAL = 708560.10

El costo total es de setecientos ocho mil quinientos sesenta con 10/100 USD.

Elaborado: Autores.

185

Tabla Nº 4. 14: Presupuesto para la Estructura Mixta – Suelo Tipo C.

















TOTAL = 785843.86

El costo total es de setecientos ochenta y cinco mil ochocientos cuarenta y tres con 86/100 USD.

Elaborado: Autores.

186

Tabla Nº 4. 15: Presupuesto para la Estructura Mixta – Suelo Tipo D.

















TOTAL = 1031220.88

El costo total es de un millón treinta y un mil doscientos veinte con 88/100 USD.

Elaborado: Autores.

187

Tabla Nº 4. 16: Presupuesto para la Estructura de Hormigón Armado – Suelo Tipo B.








E1004 Hormigón en Cimentación f'c = 24 MPa m3 165.28 186.34 30798.28








TOTAL = 607297.71

El costo total es de seiscientos siete mil doscientos noventa y siete con 71/100 USD.

Elaborado: Autores.

188

Tabla Nº 4. 17: Presupuesto para la Estructura de Hormigón Armado – Suelo Tipo C.
















TOTAL = 672018.88

El costo total es de seiscientos setenta y dos mil dieciocho con 88/100 USD.

Elaborado: Autores.

189

Tabla Nº 4. 18: Presupuesto para la Estructura de Hormigón Armado – Suelo Tipo D.
















TOTAL = 980044.56

El costo total es de novecientos ochenta mil cuarenta y cuatro con 56/100 USD.

Elaborado: Autores.

190

Tabla Nº 4. 19: Resumen de Costos de Materiales Según el Tipo de Estructura y Suelo.

RUBRO DESCRIPCION UNIDAD

E. HORMIGON ARMADO ESTRUCTURA MIXTA

MATRIAL - SUELO TIPO MATERIAL - SUELO TIPO

B C D B C D


E1001 Excavación y Desalojo a Máquina m3 21068.99 21068.99 21068.99 21068.99 21068.99 21068.99

E1002 Replantillo de Hormigón Simple f'c = 180 Kg/cm2

m3 4788.47 4788.47 4788.47 4788.47 4788.47 4788.47

SUBESTRUCTURA

E1003 Hormigón en Muros f'c = 24 MPa m3 36601.53 36601.53 45751.91 36601.53 36601.53 45751.91

E1004 Hormigón en Vigas f'c = 24 MPa m3 30798.28 43117.59 90179.43 26178.53 41577.67 78947.04

E1005 Acero de Refuerzo Fy = 420 MPa Kg 26843.26 36709.75 55252.50 25255.43 31616.72 45253.34

SUPERESTRUCTURA

E1006 Hormigón en Columnas f'c = 24 MPa m3 19664.29 16916.22 11450.26 15877.69 16916.22 11450.26

E1007 Hormigón en Muro de Corte f'c = 24 MPa

m3 56872.61 78164.82 117947.63 63876.63 75923.53 112484.50

E1008 Hormigón en Losa f'c = 24 MPa m3 73743.70 76840.40 73743.70 44804.88 44804.88 44804.88




Total (USD) 607297.71 672018.88 920437.35 708560.10 785843.86 1031220.88

Elaborado: Autores.

191

4.2. ANÁLISIS TÉCNICO – ECONÓMICO

4.2.1. Evaluación Técnico y Económica

La evaluación técnica y económica de cada una de las estructuras contemplará los

aspectos más importantes resultados del diseño estructural, mismo que fue diseñado

en base a la normativa nacional NEC 2015 y Código ACI 318. Entre estos aspectos

se encuentra la influencia del peso de la estructura en el incremento de la fuerza

sísmica (Cortante Basal), la cual involucra directamente los tipos de materiales

utilizados, la influencia del tipo de estructura con el perfil de suelo de implantación,

y las relaciones existentes entre la carga sísmica horizontal y el perfil de suelo de

ubicación del proyecto, además de sus respectivas comparaciones de acuerdo al

estudio económico.

4.2.1.1. Materiales por Tipo de Estructura y Perfil de Suelo

De acuerdo a los resultados de diseño, las cantidades de material tanto en volúmenes

de hormigón como en peso en acero se incrementan proporcionalmente en función

del tipo de perfil de suelo, desde el más favorable hasta el más desfavorable; es

decir, del suelo cuyas propiedades mecánicas aseguran un buen soporte de la

estructura a nivel de su cimentación (suelo B), hasta el suelo cuyas propiedades

presenta baja resistencia (suelo D).

Es importante mencionar que de acuerdo a la resistencia considerada para del suelo

D, en este caso el elemento utilizado como cimentación (vigas de cimentación)

resultó ser resistente y evito implementar otra alternativa de construcción en su base

como por ejemplo losas de cimentación, en las cuales por simple observación

existirá un incremento considerable de volumen y peso de materiales, sin embargo,

este estudio permite identificar de acuerdo al perfil de suelo y tipo de estructura la

variación del volumen de hormigón y peso en kilogramos de acero en las vigas de

cimentación con base a las dimensiones obtenidas a partir de su diseño.

La tabla 4.20 indica los incrementos de los materiales tanto en m3 como en Kg por

tipo de estructura y suelo para cada uno de los rubros correspondientes al costo

directo de la estructura.

192

Tabla Nº 4. 20: Cantidad de Materiales Según el Suelo y Tipo de Estructura.




B C D B C D MOVIMIENTO DE TIERRAS

E1001 Excavación y Desalojo a Máquina m3 - - - - - -

E1002 Replantillo de Hormigón Simple. m3 - - - - - - SUBESTRUCTURA


E1004 Hormigón en Cimentación f'c = 24 MPa m3 165.28 231.39 866.06 140.49 223.13 799.94

E1005 Acero de Refuerzo Fy = 420 MPa Kg 13695.54 18729.46 22274.62 12885.42 16130.98 18456.15 SUPERESTRUCTURA


E1007 Hormigón en Muro de Corte f'c = 24 MPa m3 350.78 482.11 727.49 393.98 468.29 693.79




E10010 Acero Estructural A36 Fy = 254 MPa Kg 68775.45 68775.45 68775.45 Total (m3) 1648.56 1917.40 2837.76 1435.97 1718.60 2535.89 Total (Kg) 163411.40 174313.07 247833.04 205535.71 222940.16 303900.87

Elaborado: Autores.

193

Figura Nº 4. 1: Volumen de Hormigón por Estructura y Perfil de Suelo.

Elaborado: Autores.

De acuerdo a la gráfica 4.1 es evidente la cantidad de volumen de hormigón

necesario para cada estructura en hormigón armado y mixta respecto a los suelos

B, C y D, en donde cuyas variaciones de porcentaje entre estructuras por cada suelo

se encuentran entre el 12.90%, 10.37% y 12.06% respectivamente de acuerdo a los

diseños obtenidos (figura 4.2).

Figura Nº 4. 2: Variación del Volumen de Hormigón por Estructura y Perfil de

Suelo.

Elaborado: Autores.

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

SUELO BSUELO C

SUELO D

HO

RM

IGÓ

N (

m3

)

TIPO DE ESTRUCTURA Y SUELO

SUELO B SUELO C SUELO D

EHA 1648.56 1917.40 2455.66

EM 1435.97 1718.60 2159.62

0.00%

5.00%

10.00%

15.00%

20.00%

SUELO BSUELO C

SUELO D

12.90%

10.37% 12.06%

VO

LÚM

EN D

E H

OR

MIG

ÓN

(%)

TIPO DE SUELO

194

Además, cabe indicar que los porcentajes de decremento en cuanto al volumen de

hormigón necesario experimentados por las estructuras tanto en hormigón armado

(figura 4.3) como mixta (figura 4.4) para los suelos tipo C y B utilizando como

referencia el suelo D, mismo que se encuentra en mayor proporción en la ciudad,

varían en un 78% y un 66% como valores aproximados, es decir, disminuyen en un

22% y un 34% aproximadamente respecto al suelo D en las dos estructuras.

Figura Nº 4. 3: Variación de Materiales en la EHA por Tipo de Suelo.

Elaborado: Autores.

Figura Nº 4. 4: Variación de Materiales en la EM por Tipo de Suelo.

Elaborado: Autores.

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

SUELO DSUELO C

SUELO B

SUELO D; 100.00%

SUELO C78.08% SUELO B

67.13%

PO

RC

ENTA

JE (

%)

TIPO DE SUELO

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

SUELO DSUELO C

SUELO B

SUELO D100.00%

SUELO C79.58%

SUELO B66.49%

PO

RC

ENTA

JE (

%)

TIPO DE SUELO

195

4.2.1.2. Peso por Tipo de Estructura y Perfil de Suelo

Sabiendo que el peso de la estructura está en función de la cantidad de material

resultado del diseño de los elementos estructurales tanto horizontales como

verticales, la tabla 4.21 indica el peso de cada una de las estructuras diseñadas.

En cuanto a la variación en peso del volumen de hormigón sus valores están

obtenidos de acuerdo al volumen en m3 utilizado multiplicado por el peso

específico del hormigón 2.4 T/m3 (figura 4.5), en donde si se considera a este valor

como constante las variaciones entre tipo de estructura y suelo resultan iguales a las

indicadas en las figuras 4.2, 4.3 y 4.4.

La variación del peso en toneladas de la cantidad de acero de refuerzo y acero

estructural requeridos en el diseño tanto para el sistema estructural en hormigón

armado como el mixto, se muestran en las figuras 4.6 y 4.7, en donde por obvias

razones la estructura mixta gobierna en peso utilizando este material y sus

porcentajes de diferencia de acuerdo al tipo de estructura para los suelos B, C y D

son del 20.49%, 21.81% y 17.83% respectivamente (figura 4.7).

Con respecto a la diferencia de acero en peso para las estructuras de hormigón

armado pertenecientes a los suelos C y B con base al suelo de menor capacidad

resistente (Suelo D), se encuentran entre el 31.30% y 35.60% respectivamente tal y

como se muestra en la figura 4.8. Y para la estructura mixta estos porcentajes

guardan una diferencia entre el 27.74% y 33.38% para los suelos C y B

respectivamente (figura 4.9).

Como aspecto fundamental es importante analizar el peso total obtenido de cada

estructura en un solo diagrama (figura 4.10), en donde se observa que dadas las

dimensiones de los diferentes elementos estructurales, la estructura de hormigón

armado presenta un incremento considerable en peso para cada uno de los perfiles

de suelo, mientras que la estructura mixta aumenta en menor proporción dadas las

características de suelo. Es importante mencionar que estos resultados influyen

netamente en el comportamiento de la estructura frente a un eventual fenómeno

sísmico, mismo que se analiza en la siguiente sección de este capítulo.

196

Tabla Nº 4. 21: Peso Total de la Estructura de Hormigón Armado y Mixta por Perfil de Suelo.




B C D B C D


E1001 Excavación y Desalojo a Máquina m3 - - - - - -

E1002 Replantillo de Hormigón Simple m3 - - - - - -

SUBESTRUCTURA




SUPERESTRUCTURA


E1007 Hormigón en Muro de Corte f'c:24 MPa m3 841.88 1157.07 1745.97 945.56 1123.89 1665.10





Total (Ton) 3956.53 4601.75 5893.58 3446.34 4124.64 5183.09

Total (Ton) 163.41 174.31 253.75 205.54 222.94 308.53

Elaborado: Autores.

197

Figura Nº 4. 5: Peso Hormigón por Tipo de Estructura y Perfil de Suelo.

Elaborado: Autores.

Figura Nº 4. 6: Peso Acero por Tipo de Estructura y Perfil de Suelo.

Elaborado: Autores.

0.00

1000.00

2000.00

3000.00

4000.00

5000.00

6000.00

SUELO BSUELO C

SUELO D

HO

RM

IGÓ

N (

ton

)



EHA 3956.53 4601.75 5893.58

EM 3446.34 4124.64 5183.09

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

SUELO BSUELO C

SUELO D

AC

ERO

(to

n)



EHA 163.41 174.31 253.75

EM 205.54 222.94 308.53

198

Figura Nº 4. 7: Variación de Peso del Acero por Estructura y Perfil de Suelo.

Elaborado: Autores.

Figura Nº 4. 8: Variación del Peso en Acero en la EHA por Tipo de Suelo.

Elaborado: Autores.

0.00%

5.00%

10.00%

15.00%

20.00%

SUELO BSUELO C

SUELO D

20.49% 21.81%

17.83%V

OLÚ

MEN

DE

AC

ERO

(%

)

TIPO DE SUELO

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

SUELO DSUELO C

SUELO B

SUELO D; 100.00%


64.40%

PO

RC

ENTA

JE (

%)

TIPO DE SUELO

199

Figura Nº 4. 9: Variación del Peso en Acero en la EM por Tipo de Suelo.

Elaborado: Autores.

Figura Nº 4. 10: Peso Total por Tipo de Estructura y Perfil de Suelo en Acero.

Elaborado: Autores.

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

SUELO DSUELO C

SUELO B

SUELO D100.00%


66.62%P

OR

CEN

TAJE

(%

)

TIPO DE SUELO

0.00

1000.00

2000.00

3000.00

4000.00

5000.00

6000.00

7000.00

SUELO BSUELO C

SUELO D

PES

O (

Ton

)



EHA 4119.95 4776.06 6147.33

EM 3651.87 4347.58 5491.63

200

4.2.1.3. Acción Sísmica por Tipo de Estructura y Perfil de Suelo

Los resultados obtenidos de los cortantes basales estáticos y dinámicos durante la

ejecución del último análisis para cada una de las estructuras modeladas tanto en

hormigón armado como mixta diseñadas en función del tipo de perfil de suelo se

encuentran distribuidos de acuerdo a la figura 4.11 y 4.12 respectivamente.

Figura Nº 4. 11: Cortantes Basales Estáticos y Dinámicos de EHA.

Elaborado: Autores.

Figura Nº 4. 12: Cortantes Basales Estáticos y Dinámicos de EM.

Elaborado: Autores.

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00


Eatatico261.50

Eatatico543.63

Eatatico852.06

Dinamico236.40

Dinamico489.42

Dinamico772.69

CO

RTA

NTE

BA

SAL

(T)

TIPO DE SUELO

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00


Eatatico215.37

Eatatico497.59

Eatatico763.51

Dinamico198.03

Dinamico447.68

Dinamico684.71

CO

RTA

NTE

BA

SAL

(T)

TIPO DE SUELO

201

De donde se puede notar la influencia del peso de la estructura que incrementa de

forma proporcional el cortante basal de la estructura, de manera resumida la figura

4.13 representa la diferencia expresada en porcentaje de los cortantes basales

estáticos por tipo de estructura y suelo.

Figura Nº 4. 13: Variación del Cortante Basal por Estructura y Suelo.

Elaborado: Autores.

Es importante tener en cuenta que el peso de la estructura se encuentra ligado

íntimamente con el diseño de la estructura, principalmente con los efectos de

control de derivas de piso y torsiones en planta. En este proyecto para la estructura

de hormigón armado con perfil de suelo C para controlar su deriva de piso se

implementó cuatro muros de corte paralelos al eje X, ya que en dicha dirección la

estructura sobrepasó la deriva inelástica máxima del 2% establecida en la Norma

Ecuatoriana de la Construcción. Los muros cuyas dimensiones son de 30cm x

280cm contrarrestaron desplazamientos excesivos y efectos de torsión en planta ya

que fueron colocados simétricamente en los ejes B5, D5 y B2, D2. Con respecto al

perfil de suelo D además de los cuatro muros de corte en dichos ejes con

dimensiones de 25cm x 280cm, se implementaron 2 muros más de las mismas

dimensiones en los ejes C5 y C2 de la misma dirección.

0.00%

5.00%

10.00%

15.00%

20.00%

SUELO BSUELO C

SUELO D

17.64%

8.47% 10.39%

VO

LÚM

EN D

E H

OR

MIG

ÓN

(%)

TIPO DE SUELO

202

De acurdo a estas medidas adoptadas es preciso identificar como influyen las

propiedades mecánicas del suelo durante el diseño de una estructura,

principalmente en su aspecto sísmico; por otra parte es necesario tener en cuenta

que en cuanto más deficiente sea el suelo de cimentación, este requerirá de

elementos estructurales tales como vigas de cimentación o losas de mayores

dimensiones, los cuales influirán directamente en el volumen de materiales y el

costo de la estructura en general.

Cabe mencionar que la estructura al estar conformada por este tipo de elementos

estructurales adicionales (muros de corte), hace que se origine una distribución de

fuerzas de corte muy grandes en la base de la estructura ante el efecto sísmico, ya

que se incrementa su peso principalmente en las estructuras de hormigón armado

las cuales utilizan menores cantidades de acero de refuerzo, pero mayores

volúmenes de hormigón.

Por otro lado, en el sistema estructural mixto de igual forma se implementó muros

de corte adicionales en la misma dirección, aunque de dimensiones de 25cm y 30cm

de ancho para los suelos C y D respectivamente.

De acuerdo a este conjunto de observaciones se analiza en porcentaje la

disminución el valor de cortante basal por cada tipo de estructura en función del

suelo, obteniéndose los siguientes gráficos.

Figura Nº 4. 14: Decremento Basal Estático de EHA por Perfil de Suelo.

Elaborado: Autores.

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

852.06 543.63 261.50

852.06; 100.00%

543.63; 63.80%

261.50; 30.69%

CO

RTA

NTE

BA

SAL

(T)

TIPO DE SUELO

Suelo D Suelo C Suelo B

203

Figura Nº 4. 15: Decremento Basal Estático de EM por Perfil de Suelo.

Elaborado: Autores.

En donde, para la estructura de hormigón armado y mixta el cortante basal

utilizando como referencia el suelo tipo D (suelo cuyas propiedades se presenta en

mayor proporción en el DMQ), disminuye en el 36.20% y 69.31% para los suelos

C y B respectivamente para el primer caso, y del 41.60% y 74.72% para los suelos

C y B en el segundo caso.

4.2.1.4. Comparación de Costos Material – Estructura.

Uno de los aspectos más importantes de una edificación es su configuración

estructural, ya que de ésta depende la cantidad de acero de refuerzo y acero

estructural A36 a utilizar.

Es lógico pensar que cada diseño presenta su particularidad, en algunos casos puede

ser conveniente construir un tipo específico de estructura que presente uniformidad

en la utilización de los materiales como la estructura de hormigón armado, mientras

que en otros casos puede ser conveniente utilizar materiales que presenten alta

resistencia y que sean de característica liviana como el acero estructural. Sin

embargo, es importante mencionar que generalmente en construcciones de baja

altura (hasta 2 pisos) resulta más económico conformar sistemas estructurales

mixtos.

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

763.51 497.59 215.37

763.51; 100.00%

497.59; 58.40%

215.37; 25.28%

CO

RTA

NTE

BA

SAL

(T)

TIPO DE SUELO

Suelo D Suelo C Suelo B

204

En cuanto a las construcciones de mediana y gran altura, es importante realizar un

análisis profundo del tipo de estructura a utilizar si se desea economizar gastos, ya

que si bien es cierto en un tipo de estructura se pueden reducir considerablemente

los tiempos de construcción en varias actividades, sin embargo existirá una directa

influencia en el costo de la estructura, mientras que en otro tipo de estructura puede

resultar económicamente más factible su construcción, pero puede originar tiempos

de construcción demasiado largos.

Del análisis realizado en este capítulo, la figura 4.16 muestra que para esta

estructura tipo los diseños de estructura mixta presentan un valor económico mayor

en comparación con los diseños de estructura de hormigón armado, esto se debe a

que este tipo de sistema estructural utiliza en mayor cantidad el acero, cuyo costo

en el mercado nacional es considerable con respecto a materiales tradicionales. Sin

embargo, es necesario tener en cuenta que técnicamente ambos sistemas cumplen

los requisitos y establecimientos especificados en las normas y códigos vigentes en

el país, claro está existiendo sus respectivas variaciones de carga sísmica,

deformaciones y dimensionamiento de acuerdo a cada diseño para cada tipo de

suelo.

Figura Nº 4. 16: Costo Total por Tipo de Estructura y Perfil de Suelo.

Elaborado: Autores.

0.00

200000.00

400000.00

600000.00

800000.00

1000000.00

1200000.00

SUELO BSUELO C

SUELO D

CO

STO

(U

SD)



EHA 607297.71 672018.88 920437.35

EM 708560.10 785843.86 1031220.88

205

En la figura 4.17, se puede evidenciar gráficamente que mientras mejor

característica tiene el suelo de cimentación (suelo B) mayor es la diferencia

económica entre las estructuras de hormigón armado y estructura mixta, pero para

suelos con características mecánicas bajas (suelo D) los costos de las estructuras

tienden a ser semejantes.

Figura Nº 4. 17: Tendencia de Variación del Costo por Tipo de Estructura y

Perfil de Suelo.

Elaborado: Autores.

4.2.1.5. Comparación de Costos Estructura – Suelo

En las figuras 4.18 y 4.19, se puede observar que, tanto para la estructura de

hormigón armado como mixta, el costo de la estructura tiende a incrementarse al

pasar las estructuras de un tipo de suelo a otro, desde el costo menor con suelo tipo

B hasta el costo mayor con suelo tipo D, esto se debe al incremento de las secciones

de los elementos estructurales y colocación de muros de corte para controlar las

derivas de piso que se presentaron por cada tipo de perfil de suelo.

0.00%

5.00%

10.00%

15.00%

SUELO BSUELO C

SUELO D

CO

STO

(U

SD)



VARIACION 14.29% 14.48% 10.74%

206

Figura Nº 4. 18: Variación del Costo en la EHA por Tipo de perfil de Suelo.

Elaborado: Autores.

Figura Nº 4. 19: Variación del Costo en la EM por Tipo de Perfil de Suelo.

Elaborado: Autores.

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

SUELO BSUELO C

SUELO D

SUELO B; 65.98%

SUELO C73.01%

SUELO D100.00%

PO

RC

ENTA

JE (

%)

TIPO DE SUELO

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

SUELO BSUELO C

SUELO D

SUELO B68.71%

SUELO C76.21%

SUELO D100.00%

PO

RC

ENTA

JE (

%)

TIPO DE SUELO

207

5. CAPÍTULO V

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

De acuerdo a los resultados obtenidos para cada uno de los sistemas estructurales

planteados y para los perfiles de suelo con mayor demanda zonificados en el

Distrito Metropolitano de Quito, a continuación, se presentan las siguientes

conclusiones y recomendaciones:

5.1. CONCLUSIONES

Independientemente del tipo de estructura los períodos de vibración

disminuyen de acuerdo al espectro de respuesta inelástico utilizado; para

este caso en particular para la estructura de hormigón armado varía de 0.905,

0.804 y 0.742 para perfiles de suelo B, C y D respectivamente, en cuanto a

la estructura mixta varia de 0989, 0800, 0.736 para los mismos perfiles de

suelo.

En función del número de modos de vibración con el criterio de

combinación modal CQC de la estructura (33 modos de vibración), la

participación de la masa para los diseños en hormigón armado y mixto

supera el 90% en los modos 28, 25 y 21 bajo los espectros de respuesta con

perfiles de suelo B, C y D respectivamente. Cabe indicar que en sus dos

primeros modos las estructuras inician con una participación en masa del

50% aproximadamente, en cuanto al tercer modo de vibración se origina

una torsión pura que supera el 20%.

La deriva máxima inelástica se origina en el 5 piso de cada una de las

estructuras, obteniéndose para este caso en particular valores máximos en la

estructura Mixta de 1.31%, 1.84% y 1.93 en la dirección Y cuando se diseña

bajo los espectros de respuesta inelásticos con perfiles de suelo tipo B, C y

D respectivamente, debido al tipo de geometría implementada (variación de

sección de columnas, vigas y muros de corte) durante su diseño; en cuanto

208

a las derivas máximas inelásticas obtenidas en la estructura de hormigón

armado corresponden a 1.24%, 1.84% y 1.89% para los mismos perfiles de

suelo y dichas variaciones de diseño; resultando valores menores de deriva

máxima inelástica con respecto al 2% especificado en la NEC 2015.

En losas de sección compuesta unidereccionales (Steel Deck y Hormigón)

las deformaciones verticales obtenidas tras su diseño se encuentran entre

1.10 y 1.18cm, en cuanto a losas bidereccionales de hormigón armado sus

deformaciones se encuentran entre 0.90 y 1.00cm para este caso en

particular.

En los dos tipos de estructuras fue necesario implementar muros de corte

perimetrales los cuales comprometan mínimamente los espacios

arquitectónicos dispuestos, esto con el objeto de controlar las derivas

máximas principalmente en la dirección Y para los diseños bajo los

espectros de respuesta con suelos tipo B y C, mientras que en la dirección

X para los diseños bajo el espectro de respuesta con suelo tipo D.

Los suelos en la Ciudad de Quito. de acuerdo a varios estudios realizados a

partir del año 1994, actualmente se encuentra categorizado en tres tipos de

perfiles B, C y D, los cuales dependen de las propiedades mecánicas del

suelo que van desde las más resistentes hasta las que presentan baja

resistencia, mismos que de forma generalizada presentan valores promedios

de rango entre 25 t/m2, 18 t/m2 y 12 t/m2 respectivamente; sin embargo su

clasificación y capacidad de carga dependerán de los resultados del estudio

de suelos que se realice.

De acuerdo a la información obtenida del número de edificaciones en etapa

de construcción en el período enero 2015 – junio 2016, en la zona norte,

centro – norte y sur del Distrito Metropolitano de Quito, el mayor número

de edificaciones de mediana altura están ubicadas en el Norte y Centro Norte

de la ciudad, en donde en términos de porcentaje las estructuras de hormigón

209

armado representan el 66.28 % y las estructuras mixtas se encuentran en el

orden del 26.74%.

La influencia de adoptar ciertos criterios técnicos como muros de corte,

paredes portantes, aisladores sísmicos durante la implementación de nuevos

sistemas estructurales, tienen como finalidad reducir considerablemente la

vulnerabilidad sísmica sobre todo en regiones de alto riesgo sísmico, sin

embargo dichos criterios únicamente se aplican a edificaciones de mediana

altura, en cuanto a las edificaciones de baja altura (hasta 3 pisos) se siguen

construyendo utilizando el tradicional sistema a porticado y muchas veces

sin supervisión técnica.

El pre diseño de los elementos estructurales de una edificación

independientemente del sistema estructural que se considere, desempeña un

aspecto importante en cuanto a la modelación de una estructura, ya que

permite obtener una base de datos de ingreso a programas computacionales

de cálculo y diseño con la finalidad de iniciar el dimensionamiento real de

la estructura.

El perfil de suelo tipo D al componerse de suelos de baja capacidad portante

en su mayoría limos y gravas muy blandas presenta baja resistencia de

capacidad ante los fenómenos sísmicos, provocando fuerzas de corte

laterales (cortante basal) muy grandes, que se reducen en una proporción

del 18.96% y 61.68% en la estructura de hormigón armado cuando se trata

de suelos C y B respectivamente y del 25.14% y 66.88% en estructura mixta

siguiendo el mismo orden.

El diseño de los dos tipos de estructuras para un mismo perfil de suelo

permitió evidenciar una variación del 16.57%, 10.86% y 3.50% para los

suelos B, C y D respectivamente; lo que significa que para suelos de baja

capacidad (dependiendo de las alternativas que permitan rigidizar la

estructura) siempre cuentan con elementos estructurales cuyas dimensiones

210

aportan mayor peso propio a ser distribuido en el suelo, tendiendo a ser

factible técnica y económicamente cualquiera de las dos opciones de diseño.

De acuerdo al análisis económico de la estructura y costo constructivo sin

medir el beneficio costo post - construcción para este caso en particular, el

costo de las estructuras mixtas se incrementa considerablemente en

comparación a las estructuras de hormigón armado debido a la cantidad de

perfiles metálicos utilizados. Sin embargo, estas estructuras presentan

menor peso y dependiendo del tiempo de ejecución de la misma puede

resultar más factible su relación costo – beneficio en cuanto a la

recuperación de la inversión debido a las ventajas que presenta dicho

sistema.

No siempre la estructura mixta resultará más económica, su ejecución

depende principalmente de la configuración estructural del proyecto, para

estructuras me baja altura (hasta 3 pisos) su viabilidad puede resultar muy

satisfactoria tanto técnica como económica, sin embargo, para edificaciones

de gran altura dependerá de la geometría del tablero y de éste la cantidad de

perfiles estructurales a utilizar.

Refiriéndose a costos, el constructor primero deberá hacer un análisis de

costos para verificar si su proyecto será económicamente factible construirlo

en hormigón armado o estructura mixta, ya que en proyectos de gran

magnitud el costo del volumen de perfiles de acero puede exceder al costo

de una losa convencional.

5.2. RECOMENDACIONES

Antes de iniciar una modelación de cualquier tipo de sistema estructural en

los programas computacionales de cálculo y diseño como SAP2000,

ETABS, otros, debe identificarse correctamente la configuración

geométrica que presenta la estructura tanto en planta como elevación, esto

211

con el objeto de conservar los espacios arquitectónicos dispuestos por el

proyectista antes y después de su diseño.

Durante el diseño estructural mediante la utilización del paquete

computacional ETABS es imprescindible chequear dos aspectos en las

conexiones viga columna, el primero, columna fuerte – viga débil, en donde

la capacidad viga columna y columna viga debe ser menor o igual que 1 y

mayor que 1 respectivamente; el segundo, nudo fuerte – viga débil en donde

la capacidad del nudo no tiene que ser mayor que 1; con el objeto de tener

una percepción de la resistencia de cada uno de los nudos formados en un

sistema estructural.

En todo tipo de proyecto constructivo realizar estudios de suelos, esto con

la finalidad de determinar el tipo de cimentación a construir.

Las nuevas edificaciones deben estar proyectadas a utilizar sistemas

estructurales con muros de corte, paredes portantes o dispositivos de control

sísmico.

En estructuras que presentan alto grado de flexibilidad es conveniente

utilizar mampostería como elemento rigidizador, evitando las formaciones

de patologías especialmente de carácter estructural como columnas cortas,

piso blando, otras.

Dependiendo del tipo de suelo y tiempo de ejecución de una estructura de

mediana altura es importante realizar el respectivo análisis de costos,

considerando por lo menos dos alternativas de proyectos estructurales, de

las cuales se seleccionará la más conveniente.

Razonablemente en todo tipo de estructuras debe inclinarse por sistemas

estructurales mixtos, ya que por lo general su viabilidad puede resultar más

conveniente tanto en costos como en tiempos de ejecución.

212

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http://publiespe.espe.edu.ec/articulos/ing_estructural/Articulo5_Piso

214

http://ia.espe.edu.ec/wp-content/uploads/2013/02/Conexiones-viga-

columna.pdf.

22. ASTORGA, Ariana., RIVERO, Pedro. (2009). Patologías en las

Edificaciones. Centro de Investigación en Gestión Integral de Riesgos.

Recuperado de http://www.chacao.gob.ve/eduriesgo/vulnerabilidad_

archivos/04_patologias_en_las_edificaciones.pdf.

23. CASTILLA, Enrique. (s.f.). Recomendaciones para el Diseño

Sismorresistente de Edificaciones de Mampostería Estructural. Instituto

de Materiales y Modelos Estructurales, IMME. Facultad de Ingeniería,

U.C.V. Recuperado de http://www.eird.org/cd/building-codes/pdf/

spa/doc9382/ doc9382-contenido.pdf.

24. VALVERDE, Jorge. et al. (s.f.). Microzonificación Sísmica de los Suelos

del Distrito Metropolitano de Quito. Quito – Ecuador. Recuperado de

http://www.flacsoandes.edu.ec/libros/digital/51554.pdf.

215

ANEXOS

ANEXO A:

216

ANEXO B:

PLANTA SUBSUELOS N -14.40 a N -2.88

A

6

5

4

3

2

1

3,95 5,00 2,70 3,95

5,4

04

,90

2,0

04

,90

5,4

0

B C D E

6

5

4

3

2

1

A B C D E

D

D

S

ascensor

capacidad

8 personas

1ducto

presurización

gradas

ducto

instalaciones

10 11 12 13 14 159

217

PLANTA BAJA N + 0.00

A

6

5

4

3

2

1

3,95 5,00 2,70 3,95

5,4

04,9

02,0

04,9

05,4

0

B C D E

6

5

4

3

2

1

A B C D E

ram

pa

10%

ram

pa

14.2

0%

ducto

instalaciones

baño comunal

mujeres

baño

baño

bodega

baño

recepciónguardia

D

D

5,4

04,9

02,0

04,9

05,4

0

3,95 5,00 2,70 3,95

S

ascensor

capacidad

8 personas

1ducto

presurización

gradas

ducto

instalaciones

10 11 12 13 14 159

consultorio 270,53 m²

consultorio 147,48 m²

terraza accesible

N+0.00

20,77 m²

218

PLANTA TIPO N+2.88 a N+23.04

1,7

04,9

02,0

04,9

01,7

0

1,35 5,00 2,70 1,35

B C D

B C D

5

4

3

2

5

4

3

2

S

ascensor

capacidad

8 personas

1ducto

presurización

gradas

ducto

instalaciones

10 11 12 13 14 159

consultorios 4-8-12-16-20-24-2831,52 m²

consultorios 3-7-11-15-19-23-2724,38 m²

ducto

instalaciones

baño

baño

.60

.25

31,07 m²consultorios 5-9-13-17-21-25-29

baño

20,87 m²consultorios 6-10-14-18-22-26-30

D

D

1,7

04,9

02,0

04,9

01,7

0

1,35 5,00 2,70 1,35

219

PLANTA TERRAZA N+25.92

1,7

04

,90

2,0

04

,90

1,7

0

1,35 5,00 2,70 1,35

B C D

B C D

5

4

3

2

5

4

3

2

consultorios 4-8-12-16-20-24-2831,52 m²

consultorios 3-7-11-15-19-23-2724,38 m²

ducto

instalaciones

baño

baño

.60

.25

D

D

1,35 5,00 2,70 1,35

1,7

04

,90

2,0

04

,90

1,7

0

S

ascensor

capacidad

8 personas

1ducto

presurización

gradas

ducto

instalaciones

10 11 12 13 14 159

220

ANEXO C:

221

ANEXO D:

224

ANEXO E:

ESTRUCTURA MIXTA SUELO C


MATERIALES

Resistencia a compresión del hormigón f'c: 24 MPa

Resistencia a la fluencia del acero. fy: 420 MPa

Módulo de elasticidad del hormigón. Es: 209141 MPa


LOSA TIPO:

Altura de loseta. h: 6 cm

Altura Deck. hd: 5 cm


MATERIALES




GEOMETRÍA DE VIGAS


Base de viga b: 30 cm

Altura de viga. h: 45 cm

TIPO 2: Centrales



ARMADO DE VIGAS




TIPO 2: Centrales




MATERIALES





TIPO 1:

Base de columna. b: 50 cm

225

Altura de columna. h: 100 cm




ARMADO DE COLUMNAS

TIPO 1:





MATERIALES




ARMADO DE MUROS

Muro en Gradas


Muro en Ascensor


Muro de Corte


Muro de Subsuelo

Armadura longitudinal por altura de piso. As req: 382 cm2


MATERIALES

Resistencia a compresión del hormigón. f'c: 24 MPa



GEOMETRÍA DE VIGAS

GENERAL:

Ancho superior del alma. bw: 40 cm

Ancho inferior del alma. bw: 40 cm


Ancho del ala. b: 150 cm

Espesor del ala. hf: 40 cm

ARMADO DE VIGAS



Armadura en Alas de Viga. As2: 7Ø14mm + 7Ø18mm

226

ESTRUCTURA MIXTA SUELO D


MATERIALES





LOSA TIPO:

Altura de loseta. h: 6 cm

Altura Deck. hd: 5 cm


MATERIALES




GEOMETRÍA DE VIGAS




TIPO 2: Centrales



ARMADO DE VIGAS




TIPO 2: Centrales




MATERIALES








227

ARMADO DE COLUMNAS




MATERIALES




ARMADO DE MUROS

Muro en Gradas


Muro en Ascensor


Muro de Corte


Muro de Subsuelo


RESULTADOS DE DISEÑO DE LOSA DE CIMENTACIÓN

MATERIALES




GEOMETRÍA DE LOSA DE CIMENTACION

GENERAL:

Espesor de Losa. h: 950 cm

ARMADO DE VIGAS


Armadura en Losa. As1: 1 Ø 20 mm


228

ESTRUCTURA EN HORMIGÓN ARMADO SUELO C


MATERIALES





LOSA TIPO:

Altura de losa. h: 20 cm

Ancho del nervio. bw: 10 cm






MATERIALES




GEOMETRÍA DE VIGAS




TIPO 2: Centrales



ARMADO DE VIGAS




TIPO 2: Centrales




MATERIALES





229

TIPO 1:






ARMADO DE COLUMNAS

TIPO 1:





MATERIALES




ARMADO DE MUROS

Muro en Gradas


Muro en Ascensor


Muro de Corte


Muro de Subsuelo

Armadura longitudinal por altura de piso. As req: 382 cm2


MATERIALES




GEOMETRÍA DE VIGAS

GENERAL:

Ancho superior del alma. bw: 40 cm

Ancho inferior del alma. bw: 40 cm


Ancho del ala. b: 160 cm

230

Espesor del ala. hf: 35 cm

ARMADO DE VIGAS



Armadura en Alas de Viga. As2: 8Ø14mm + 8Ø18mm

ESTRUCTURA EN HORMIGÓN ARMADO SUELO D


MATERIALES





LOSA TIPO:

Altura de losa. h: 20 cm

Ancho del nervio. bw: 10 cm






MATERIALES




GEOMETRÍA DE VIGAS




TIPO 2: Centrales



ARMADO DE VIGAS




TIPO 2: Centrales




231

MATERIALES








ARMADO DE COLUMNAS




MATERIALES




ARMADO DE MUROS

Muro en Gradas


Muro en Ascensor


Muro de Corte


Muro de Subsuelo


RESULTADOS DE DISEÑO DE LOSA DE CIMENTACIÓN

MATERIALES




GEOMETRÍA DE LOSA DE CIMENTACION

GENERAL:

Espesor de Losa. h: 110 cm

ARMADO DE VIGAS




232

ANEXO F:

233

ANEXO F:

234

ANEXO F:

universidad central del ecuador facultad de … · pertenece, con fines estrictamente académicos o...

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