Ingeniería Sismo Resistente - Trabajo final 2

Vista previa del material en texto

UPC - MO 
DISEÑO SÍSMICO PARA UN 
EDIFICIO DE OFICINAS 
TRABAJO FINAL 
CURSO: INGENIERÍA SISMO-RESISTENTE 
CÓDIGO: CI 183 
SECCIÓN: CI 83 
DOCENTE: PHD. FERNÁNDEZ DÁVILA, VICTOR 
ESTUDIANTES: DÍAZ LÓPEZ, ANGGY 
 
 
 
 
 
 
 
PÁGINA 1 
 
 
 
INTRODUCCIÓN 
 
La filosofía del diseño sismo-resistente tiene como premisa “salvaguardar la vida humana durante la 
ocurrencia de un terremoto destructivo”, sabiendo ello, el objetivo del diseño sismo-resistente es el 
de analizar, diseñar y detallar las estructuras de manera que su comportamiento durante la 
ocurrencia del “terremoto de diseño”, como lo establecen los diferentes códigos o reglamentos, 
permita que las mismas, incursionen en el campo inelástico con una adecuada performance, para 
cumplir con la filosofía básica del diseño sismo-resistente. Es por ello, que tiene suma importancia 
efectuar un excelente detalle de las armaduras para asegurar que la estructura se deforme 
adecuadamente, disipando energía en los elementos que se diseñaron para tal fin. 
Para el presente trabajo se tiene como objetivo el análisis y el diseño sísmico de una edificación de 
seis pisos de concreto armado destinado a oficinas ubicado en el distrito de Cajamarca, Cajamarca-
Perú. 
Se detallarán los criterios usados para la estructuración, el pre-dimensionamiento y las cargas que 
participarán en el diseño. Todo el diseño de los elementos estructurales se realizará siguiendo los 
lineamientos del Reglamento Nacional de Edificaciones y recomendaciones prácticas para obtener 
una estructura de buen comportamiento frente a las solicitaciones de cargas de gravedad y sísmicas 
que tendrá en su vida útil. 
Una estructuración simple y ordenada permitirá un análisis sísmico con un mayor grado de 
confiabilidad. Un pre dimensionamiento adecuado nos permitirá que el diseño de las secciones sea 
lo más eficiente posible, tanto en su funcionalidad como económicamente. 
El análisis sísmico se realizó en el programa ETABS, de la empresa Computers and Structures, Inc. El 
análisis por cargas de gravedad también fue realizado manualmente, con ayuda de hojas de cálculo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
PÁGINA 2 
1. MEMORIA DESCRIPTIVA DEL PROYECTO 
GENERALIDADES 
El proyecto de Torre de Oficinas XIM YU se desarrollará en el terreno ubicado en la Av. San Martín 
de Porres 165, Barrio San Sebastián, Cajamarca, que cuenta con un área de 528 m2 y un área 
construida de 451.86 m2. 
Cuenta con una excelente ubicación anexa a la plazuela Bolognesi de Cajamarca, con accesos y salidas 
fluidas hacia las Avenidas Independencia y Héroes de San Ramón. 
Asimismo, con cercanía a la plaza de Armas de Cajamarca y al estadio Héroes de San Ramón, así 
como centros comerciales como Real plaza, El Quinde, entre otros, consolidándose como una zona 
comercial de gran influencia y de impacto metropolitano. 
CONCEPCIÓN DEL DISEÑO DEL PROYECTO 
El proyecto en estudio considera una torre de oficinas con un total de 6 pisos con la siguiente 
distribución: 
o Primer piso con hall de ingreso, 4 oficinas y áreas de servicios, como atención a los 
proveedores y pagos. 
o Área espera en el primer piso con mezanine, independiente en la zona del atrio. 
o Segundo piso con 4 oficinas y de áreas de servicios como comedor para la torre. 
o Tercer al sexto piso cuenta con 4 oficinas y posibles áreas de reuniones y eventos privados. 
ÁREA CONSTRUIDA 
El proyecto comprenderá las siguientes áreas construidas: 
o Área del 1° al 6° piso: 451.86 m2 
o Total área construida: 2711.16 m2 
DESCRIPCIÓN DE LOS PISOS 
Planta típica del 1° al 6° piso: En el Primer Piso se ubican los accesos a la torre, un ingreso peatonal 
principal con ingreso al lobby de recepción, hall de ascensores, 1 escalera hacia los pisos superiores. 
Además, se ha diseñado un área de atención para recepción de documentos y pagos con acceso 
directo desde el exterior. Los pisos siguientes es de similar distribución, solo que no contará con 
recepción, sino con áreas libres para reuniones y eventos privados. El área techada de este nivel en la 
torre de oficinas es de 348 m2. 
CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO 
La torre de oficinas está diseñada con todas las características y requerimientos de un edificio 
inteligente bajo las normas del RNE Reglamento Nacional de Edificaciones, normas internacionales 
de seguridad y un sistema de seguridad especialmente diseñado para la torre. 
Contará además con sistemas de seguridad de última tecnología y acabados de primera; que 
brindarán a las empresas altos niveles de seguridad y eficiencia convirtiéndose en una inmejorable 
opción para las empresas y corporaciones nacionales e internacionales. 
PÁGINA 3 
2. MEMORIA DE CÁLCULO 
2.1. ESTRUCTURACIÓN 
Estructurar un edificio significa tomar decisiones en conjunto con otros profesionales que 
intervienen en la obra, acerca de las características y disposición de los elementos estructurales, de 
manera que el edificio tenga un buen comportamiento durante su vida útil; es decir que tanto las 
cargas permanentes (peso propio, acabados, etc.) como las eventuales (sobrecarga, sismo, viento, 
etc.), se transmitan adecuadamente hasta el suelo de cimentación. 
Para conseguir estos objetivos en un país sísmico como el nuestro, se estructura con los siguientes 
criterios: 
o Simplicidad y simetría 
o Resistencia y ductilidad 
o Hiperestaticidad y monolitismo 
o Uniformidad y continuidad de la estructura 
o Rigidez lateral, en las dos direcciones de la planta 
o Existencia de diafragmas rígidos 
o Elementos no estructurales 
Así pues el edificio en estudio se ha estructurado principalmente con placas de concreto armado 
ubicados de manera simétrica en el área del edificio, que van desde la cimentación hasta la azotea, 
que en conjunto con las columnas, vigas peraltadas, y losas macizas conforman un edificio que 
cumplen con los criterios fundamentales de estructuración antes mencionados. 
LOSAS MACIZAS 
Las losas macizas de concreto armado trabajan principalmente en dos direcciones, dada la 
distribución en planta que tiene el edificio. 
VIGAS PERALTADAS 
Las vigas se dispondrán de tal manera que una las placas y columnas entre sí y formen pórticos y 
pórticos mixtos con placas de concreto armado. Tendrán el mismo peralte en las dos direcciones para 
mantener el diseño arquitectónico del edificio. En la dirección transversal y-y principalmente 
soportaran las cargas de gravedad y en la dirección x-x, recibirá momentos importantes por carga 
sísmica en las fachadas anterior y posterior que le transmitirá las placas. 
COLUMNAS 
Las columnas se dispondrán en la parte interior del área del edificio, y solo algunas exteriores porque 
en los extremos laterales habrá placas. Las columnas estarán ubicadas y distanciadas de tal manera 
de formar pórticos y respetando el requerimiento arquitectónico del edificio. 
PLACAS 
Las placas tienen como finalidad tomar el mayor porcentaje de fuerza sísmica a la vez que proveen a 
la estructura de rigidez lateral evitando desplazamientos excesivos, que pueden dañar a los elementos 
estructurales y no estructurales. 
PÁGINA 4 
ESCALERAS 
La escalera es el elemento que sirve de escape en caso ocurra un siniestro (sismo, incendio, etc.), por 
lo que debe prestársele especial atención a su diseño. La escalera es un elemento muy rígido por lo 
que es conveniente aislarlo de la estructura. En nuestro proyecto aislamos la escalera. 
CASETA DE MAQUINAS DEL ASCENSOR 
La caseta de máquinas se ubicará sobre la caja del ascensor para lo cual será necesario prolongar las 
placas de la misma. 
 
2.2. PRE-DIMENSIONAMIENTO 
Para el pre-dimensionamiento de los elementos estructurales se usa la recomendación del Ingeniero 
Antonio Blanco Blasco en su libro Estructuración y Diseño en Concreto Armado. 
LOSAS MACIZAS 
Usaremos en el diseño una losa maciza, la resistencia y rigidez de una losa armada en dos direccioneses muy buena, requiriéndose peraltes reducidos, pudiéndose considerar éstos del orden del 
cuarentavo de la luz o igual al perímetro del paño dividido entre 180. 
h (losa)= L max/40 0.18 m 
h (losa)= Perímt/180 0.16 m 
h (losa) ≈ 0.20 m 
VIGAS PERALTADAS 
Las vigas se dimensionan considerando un peralte de orden l/10 o l/12 de la luz libre, esta altura 
incluye el espesor de la losa del techo o piso. El ancho es menos importante que el peralte, pudiendo 
variar entre 0.3 o 0.4 de la altura 
 
Vigas principales 
Lmax = 7.00 m 
h = l/12 0.58 m 
b = 0.4*h 
 
0.23 m 
PÁGINA 5 
VP (0.60 x 0.30) m2 
Vigas secundarias 
Lcomún = 6.00 m 
h = l/12 0.50 m 
b = 0.4*h 
 
0.20 m 
VS (0.60 x 0.30) m2 
COLUMNAS 
Se siguió el criterio de dimensionamiento por carga vertical, pues en la edificación se ha usado el 
sistema mixto de pórticos y muros de corte, el cual permite que los momentos en las columnas debido 
a sismo se reduzcan muy considerablemente. El peso de servicio fue calculado asumiendo el peso de 
1 t/m2 por piso multiplicado por el área tributaria y por el número de pisos. 
𝐴 𝑐𝑒 =
𝑃 (𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜)
0.35 × 𝑓′𝑐
 
Columna esquinera o exterior 
f'c= 210 kg/cm2 
N° de pisos= 6 
Área tributaria= 18 m2 
Carga asumida= 1 t/m2 
P servicio= 108 t 
 
A ce= 1469.39 cm2 
Bcol = Bvp 0.30 m 
Tcol = A ce/Bcol 0.49 m 
CE (0.30 x 0.50) m2 
𝐴 𝑐𝑐 =
𝑃 (𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜)
0.45 × 𝑓′𝑐
 
Columna centrada 
f'c= 210 kg/cm2 
N° de pisos= 6 
Área tributaria= 33 m2 
Carga asumida= 1 t/m2 
P servicio= 198 t 
 
A cc= 2095.24 cm2 
Bcol = Bvp 0.30 m 
Tcol = A cc/Bcol 0.70 m 
CC (0.30 x 0.70) m2 
 
 
 
 
PÁGINA 6 
PLACAS 
Es difícil poder fijar un dimensionamiento para las placas debido a que su principal función es 
absorber las fuerzas de sismo, mientras más abundantes o importantes sean tomaran un mayor 
porcentaje del cortante sísmico total. 
Las placas pueden hacerse de mínimo 10 cm de espesor, pero generalmente se consideran de 15 cm 
para edificios de poca altura y 20, 25 y 30 cm conforme aumenta el número de pisos. En el caso de 
que existan pocas placas en una dirección, es probable que se requieran espesores mayores como 40, 
50 o 60 cm. 
t (placa) = 0.30 m 
 
2.3. PROPIEDADES ESTRUCTURALES 
ACERO DE REFUERZO 
La armadura estará constituida por barras de acero corrugado ASTM 615 grado 60. El acero tendrá 
las siguientes propiedades: 
o Esfuerzo de fluencia: fy = 4200 kg/cm2 
o Módulo de elasticidad: Es = 2000000 kg/cm2 
CONCRETO 
Para la preparación del concreto se utilizará Cemento Portland. Las propiedades del concreto son las 
siguientes: 
o Resistencia a la compresión: f’c = 210 kg/cm2 
o Módulo de Poisson: ν = 0.15 
o Módulo de elasticidad: E = 15000√𝑓′𝑐 = 217000 kg/cm2 
TABIQUERÍA 
Los muros de ladrillo pueden cumplir una función estructural si se desea realizar una estructuración 
de esa manera. Sin embargo para edificios de concreto armado, como en este proyecto, suelen 
utilizarse solamente como división entre espacios. A pesar que no cumplen una función estructural 
es importante considerar su peso para fines de masa sísmica y para el análisis y diseño de elementos 
estructurales que lo soporten. En esta edificación habrá dos tipos de tabiquería, los cuales son los 
siguientes: 
o Tabiquería de ladrillo: En baños y pasadizos, para separar las oficinas de las áreas comunes. 
Para fines de metrado se considerará como carga muerta. 
o Tabiquería liviana de baja altura: Tabiquería móvil de media altura para dividir los ambientes 
dentro de las oficinas. Para fines de metrado se considerará como carga viva repartida en 
toda el área de oficinas. 
 
 
PÁGINA 7 
2.4. CARGAS Y COMBINACIONES DE CARGAS 
La norma Técnica E.020 indica los tipos de cargas a considerarse en el diseño de los elementos. 
Siguiendo sus lineamientos se considera: 
o Carga Muerta (CM): El peso de los diferentes materiales utilizados, tabiquería, piso 
terminado y cargas permanentes en la estructura. 
o Carga viva (CV): Peso de los ocupantes, muebles, y diferentes elementos móviles no 
permanentes en la estructura. 
o Carga de sismo (S): Las fuerzas generadas en los elementos por una acción sísmica en la base 
de la estructura que es representada por un espectro de diseño, siguiendo los lineamientos 
de la norma E.030. Debe de ser considerado un sismo de diseño independiente en cada una 
de las direcciones de los dos ejes principales de la edificación. 
Para que las cargas aplicadas tengan muy baja probabilidad de ser excedidas en la vida útil de la 
estructura el diseño por resistencia amplifica las cargas aplicadas por medio de combinaciones de 
carga. Se debe de analizar y diseñar cada uno de los elementos para el valor de fuerzas que produzcan 
los esfuerzos más críticos. Las combinaciones de carga indicadas en la norma E.060 son las siguientes: 
1.4 × 𝐶𝑀 + 1.7 × 𝐶𝑉 
1.25 × 𝐶𝑀 + 1.25 × 𝐶𝑉 + 𝑆 
1.25 × 𝐶𝑀 + 1.25 × 𝐶𝑉 − 𝑆 
0.9 × 𝐶𝑀 + 𝑆 
0.9 × 𝐶𝑀 − 𝑆 
2.5. MODELO ESTRUCTURAL 
VISTA DEL MODELO ESTRUCTURAL EN 2D – PISO TÍPICO 
 
PÁGINA 8 
VISTA DEL MODELO ESTRUCTURAL EN 2D – TECHO 
 
VISTA DEL MODELO ESTRUCTURAL EN 3D 
 
PÁGINA 9 
2.6. ANÁLISIS POR CARGAS DE GRAVEDAD 
DIAGRAMA DE CARGA AXIAL 
CARGA MUERTA 
 
 
EJE 6 – EJE D 
PÁGINA 10 
CARGA VIVA 
 
 
 
EJE 6 – EJE D 
 
 
 
PÁGINA 11 
DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE 
CARGA MUERTA 
 
 
 
EJE 6 – EJE D 
PÁGINA 12 
CARGA VIVA 
 
 
 
EJE 6 – EJE D 
 
 
PÁGINA 13 
DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR 
CARGA MUERTA 
 
 
 
EJE 6 – EJE D 
 
PÁGINA 14 
CARGA VIVA 
 
 
 
EJE 6 – EJE D 
 
 
PÁGINA 15 
2.7. ANÁLISIS POR CARGAS SÍSMICAS 
MÉTODO ESTÁTICO Y EQUIVALENTE 
COEFICIENTES SÍSMICOS 
ZONIFICACIÓN - Z 
El proyecto a realizarse se encuentra en el departamento de Cajamarca, ubicada entre dos zonas (4 y 
3), sin embargo, al ubicarse nuestro proyecto en el distrito de Cajamarca, se puede determinar que la 
zona que pertenece es la zona 3. 
Tipo Valor 
Zona 3 0.35 
CATEGORÍA DE EDIFICACIÓN Y FACTOR DE USO - U 
Se identificó que el proyecto pertenece a la categoría C, edificaciones comunes debido a que se trata 
de la construcción de oficinas. 
 
 
FACTOR DE AMPLIFICACIÓN SÍSMICA - C 
Para su obtención es necesario recurrir a los Parámetros de Sitio (S3, TP y TL). Se determinó que la 
estructura tendrá valores iguales del Ct para el eje X y Y de la estructura. Con los valores de T de 
ambos ejes, se procederá a hallar los valores C para X y Y como lo plantea la Norma E0.30. 
 Valor Valor 
hnx 18 hnx 18 m 
Ctx 60 Cty 60 
Tx 0.3 Ty 0.3 s 
Tp 1.00 Tp 1.00 s 
TL 1.60 TL 1.60 s 
Tx < Tp Ty < Tp 
Cx 2.5 Cy 2.5 
 
FACTOR DE SUELO – S 
Luego de determinar la zona donde se ejecutará la obra, se pudo investigar que el tipo de suelo en 
dicho lugar corresponde a un Perfil Tipo S3: Suelos Blandos. 
 Tipo Valor 
 S3/Z3 1.20 
Tp S3 1.00 s 
TL S3 1.60 s 
Tipo Valor 
U - C 1 
PÁGINA 16 
COEFICIENTE DE REDUCCIÓN DE FUERZA SÍSMICA – R 
Se obtuvieron valores iguales en ambos ejes, pues se identificó como sistema de muros estructurales 
en los ejes Y y X. Inicialmente se idealizará la estructura como regular. 
 Ro Ia Ip Valor 
Rx 6 1 1 6 
Ry 6 1 1 6 
 
VERIFICACIÓN DE REGULARIDAD 
Primero se modela la estructura con el Software Etabs y se realizarán las verificaciones de 
irregularidad: 
 
Como se observa que hay irregularidad torsional en X, se corrige el valor de R: 
 
Por lo que el factor de reducción de fuerza sísmica quedaría de la siguiente manera: 
 Ro Ia Ip Valor 
Rx 6 1 0.75 4.5 
Ry 6 1 1 6 
 
PÁGINA 17 
CORTANTE EN LA BASE 
Para hallar la fuerza cortante en la base por el método estático, primero se debe hallar el peso 
sísmico: 
 
 
El peso sísmico resulta de la suma del total de la carga muerta más un 25% de la carga viva: 
PÁGINA 18 
 
La fuerza cortante en la baseresultaría: 
 
 
 
 
PÁGINA 19 
DESPLAZAMIENTOS 
 
 
DISTORCIONES 
 
MEJORAS PARA CUMPLIR CON LAS EXIGENCIAS DE LA NORMA E-030 
Las mejoras para cumplir con las exigencias de la Norma es colocar placas estructurales de 0.30 m y 
se metran nuevamente las cargas. Luego se calculan los nuevos coeficientes sísmicos y se calculan las 
nuevas fuerzas y momentos en cada entrepiso para colocarlos en el programa. Este debe de dar 
distorsiones menores que los que salió en los cálculos anteriores. 
 
 
 
PÁGINA 20 
MÉTODO DINÁMICO MODAL ESPECTRAL 
ESPECTRO DE DISEÑO SEGÚN LA NORMA E-030 
 
 
El espectro de diseño se realizó dando varios valores de periodos (desde cero hasta cinco) para 
obtener un rango de pseudoaceleraciones. 
MODOS DE VIBRACIÓN Y PERIODOS 
Gracias al programa Etabs se pudo conocer que la estructura cuenta con 18 modos de vibración y 
por este medio también se pudieron conocer los periodos de cada uno. 
 
PORCENTAJE DE PARTICIPACIÓN DE LAS MASAS 
En cada dirección se considerarán aquellos modos de vibración cuya suma de masas efectivas sea 
por lo menos el 90 % de la masa total, pero deberá tomarse en cuenta por lo menos los tres 
primeros modos predominantes en la dirección de análisis. 
PÁGINA 21 
 
 
DESPLAZAMIENTOS ABSOLUTOS 
 
DESPLAZAMIENTOS RELATIVOS Y DISTORCIONES 
 
CORTANTE EN LA BASE SEGÚN LA NORMA E-030 
 
PÁGINA 22 
 
DIAGRAMA DE CARGA AXIAL 
 
PÁGINA 23 
 
 
DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE 
PÁGINA 24 
 
 
PÁGINA 25 
DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR 
 
PÁGINA 26 
COMBINACIÓN DE CARGAS Y ENVOLVENTES 
 
3. CONCLUSIONES 
o Se necesita investigar mejor el lugar de donde se hará el proyecto ya que en un 
departamento determinado el suelo no es homogéneo en cada parte y ello influiría 
en los coeficientes sísmicos estáticos si se considera como hace mención la norma. 
o El pre dimensionamiento de las estructuras no debe ser muy exagerado para no 
dar mucho peso a la estructura. 
o Las placas colocadas en la estructura son aproximadamente el 30% del peso total 
de la estructura 
o Las cortantes basales de la estructura son 758.14 Ton en el eje X y 568.61 Ton en el 
eje Y del edificio. 
o La cortante basal en el eje X es aproximadamente el 17% del peso de la estructura y 
en el eje Y es un aproximado de 20%. 
o La distribución de fuerzas al hallar las cortantes muestran una distribución común 
de un edificio estándar. 
o La estructura se desplazará de manera correcta ante cualquier modo de vibración. 
o Por lo observado en los desplazamientos y distorsiones en el trabajo, se puede 
concluir que la estructura es demasiado rígida, por los cual se podría quitar el 
número de placas para quitarle un poco de rigidez. 
o Con el programa Etabs se puede observar de una manera más visual la manera en 
la cual se desplazará la estructura, dando una idea mayor de donde sería necesario 
colocar placas para darle mayor rigidez al edificio. 
o Es necesario colocar los datos antes calculados en el programa Etabs para que este 
simule de mejor manera la vibración de la estructura y sea lo más realista posible. 
PÁGINA 27