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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ
FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA
DISEÑO ESTRUCTURAL DE UN EDIFICIO DE VIVIENDAS DE 10 NIVELES UBICADO EN EL DISTRITO DE SAN ISIDRO Tesis para optar el título de Ingeniero Civil, que presentan los bachilleres: ANDRÉS BALAREZO PAREDES KEVIN EDUARDO VARA HUAMÁN ASESOR: Ing. JOSÉ ALBERTO ACERO MARTÍNEZ Lima, agosto, 2020
i RESUMEN
La presente tesis tiene como objetivo el análisis y diseño estructural de una edificación de diez
niveles destinado para viviendas, ubicado en el distrito de San Isidro, provincia de Lima. El
terreno destinado para este proyecto cuenta con 508 m2 aproximadamente y el tipo de suelo
de la zona es una grava densa, la cual posee una capacidad portante de 4 kg/cm2. Según el
documento ‘‘Zonificación sísmico-geotécnica para siete distritos de Lima Metropolitana’’ del
Instituto Geofísico del Perú (IGP) el suelo de dicha zona clasifica como uno del tipo S1.
El sistema estructural de la edificación es de muros estructurales; por ende, son estos los
principales encargados de suministrar la rigidez adecuada a la edificación. Asimismo, la
distribución de las placas se hará estratégicamente para tratar que el centro de rigidez y el
centro de masa no estén muy alejados. De esta manera, se busca evitar problemas de torsión.
El diseño y análisis estructural de la edificación se realizaron bajo los lineamientos del
Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE) y las normas que lo componen. En primer
lugar, se realizó el análisis sísmico del edificio de acuerdo a lo estipulado en la Norma E.
Diseño Sismorresistente y se empleó un modelo estructural de la edificación en el programa
ETABS 2016. A dicho modelo se le asignaron las cargas correspondientes según la norma
E.020 Cargas. En segundo lugar, el diseño de todos los elementos de concreto armado se
realizó siguiendo la norma E.060 Concreto Armado. En el caso de las losas macizas y la
cimentación se empleó la asistencia de programas de computación que aplican el método de
elementos finitos como son SAP2000 y SAFE 2016 respectivamente.
Adicionalmente, considerando que la edificación en cuestión posee diez niveles, se incluyó
un capitulo donde se explica la importancia del análisis secuencial, cómo esta influye en
términos de desplazamientos, y solicitaciones de fuerzas y momentos en la edificación.
Figura 12. Superposición de cargas considerando o no el proceso constructivo (San Bartolomé, 1998)
- 1 CAPÍTULO 1: ASPECTOS GENERALES DEL PROYECTO ÍNDICE DE CONTENIDOS
- 1.1 Descripción general del proyecto.
- 1.2 Aspectos Geotécnicos
- 1.3 Normativa aplicada
- 1.4 Materiales y Cargas Utilizadas
- 1.4.1 Materiales
- 1.4.2 Cargas de diseño
- 2 CAPÍTULO 2: PREDIMENSIONAMIENTO Y ESTRUCTURACIÓN
- 2.1 Estructuración
- 2.2 Predimensionamiento
- 2.2.1 Predimensionamiento de Losas:............................................................................
- 2.2.2 Predimensionamiento de vigas:
- 2.2.3 Predimensionamiento de columnas:
- 2.2.4 Predimensionamiento de Placas
- 3 CAPITULO 3: ANÁLISIS SÍSMICO
- 3.1 Modelo estructural
- 3.2 Masa sísmica
- 3.3 Modos y periodos resultantes
- 3.4 Parámetros de edificación
- 3.4. 1 Factor de zona (Z)
- 3.4.2 Parámetros de sitio. (S, Tp, TL)
- 3.4.3 Factor de amplificación sísmica (C)
- 3.4.4 Factor de uso (U).................................................................................................
- 3.4.5 Coeficiente de reducción sísmica (R)
- 3.5 Irregularidades
- 3.5.1 Irregularidades en planta
- 3.6 Procedimiento de análisis............................................................................................
- 3.6.1 Análisis estático
- 3.6.2 Análisis dinámico................................................................................................
- 3.7 Control de desplazamientos laterales
- 3.8 Separación entre edificios
- 3.9 Verificación del sistema estructural
- 4 CAPÍTULO 4: ANÁLISIS SECUENCIAL iii
- 4.1 Análisis Secuencial (Proceso Constructivo)
- 4.1.1 Análisis Secuencial en ETABS 2016 y SAP2000...............................................
- 4.1.2 Análisis Secuencial – Hardy Cross
- 4.2 Análisis de la edificación en estudio
- 4.2.1 Comportamiento de edificaciones altas al considerar el proceso constructivo
- 4.2.2 Contrastación de Resultados
- 5 CAPÍTULO 5: DISEÑO DE LOSAS ALIGERADAS Y MACIZAS
- 5.1 Diseño de losas aligeradas.
- 5.1.1 Diseño por resistencia o flexión
- 5.1.2 Diseño por cortante.
- 5.1.3 Control de deflexiones.
- 5.2 Diseño de losas macizas
- 5.2.1 Diseño por resistencia o flexión
- 6 CAPÍTULO 6: DISEÑO DE VIGAS..................................................................................
- 6.1 Diseño flexión
- 6.2 Diseño por corte
- 6.2.1 Diseño por Capacidad
- 6.3 Empalme por traslape del refuerzo
- 6.4 Corte o doblado de refuerzo
- 6.5 Deflexiones
- 6.6 Control de fisuración...................................................................................................
- 6.7 Diseño final de la viga.
- 6.8 Vigas de acoplamiento entre placas
- 7 CAPÍTULO 7: DISEÑO DE COLUMNAS
- 7.1 Diseño por flexocompresión
- 2 Diseño por corte
- 7.3 Empalmes por traslape del refuerzo
- 7.4 Diseño final de la columna..........................................................................................
- 8 CAPÍTULO 8: DISEÑO DE MUROS DE CORTE
- 8.1 Diseño por flexión.......................................................................................................
- 8.1.1 Muros altos (H/L≥ 1)..........................................................................................
- 8.1.2 Muros bajos (H/L< 1).........................................................................................
- 8.2 Diseño por corte
- 8.3 Diseño final de la placa
- 9 CAPÍTULO 9: DISEÑO DE CIMENTACIONES
- 9.1 Dimensionamiento por presión admisible................................................................... iv
- 9.2 Diseño por corte
- 9.3 Diseño por punzonamiento
- 9.4 Diseño de viga de cimentación
- 9.4.1 Diseño por flexión.............................................................................................
- 9.4.2 Diseño por Corte
- 9.5 Modelo de Cimentación en SAFE 2016....................................................................
- 10 CAPÍTULO 10: DISEÑO DE ESCALERA
- 10.1 Diseño por flexión.....................................................................................................
- 10.2 Diseño por corte
- 11 CAPÍTULO 11: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
- 11.1 Conclusiones
- 11.2 Recomendaciones
- 12 CAPÍTULO 12: BIBLIOGRAFÍA................................................................................
- Figura 1. Ubicación de la edificación....................................................................................................... ÍNDICE DE FIGURAS
- Figura 2. Planta de la edificación.
- Figura 3. Elevación de la edificación.
- para la APESEG (2005). Figura 4. Mapa de zonificación de tipos de suelos para Lima Metropolitana elaborado por el CISMID
- Figura 5. Estructuración.
- Figura 6. Modelo de la edificación en análisis – ETABS 2016.
- Figura 7. Ubicación de CM y CR en la planta de la edificación.
- Figura 8. Planta de la edificación.
- Figura 9. Proceso Constructivo de un edificio (Merino, 2008)
- Tabassum, 2015 ) Figura 10. Procedimiento incluido en el análisis secuencial considerando efectos de tiempo (
- Figura 11. Métodos de análisis (Bentley Institute, 2018)
- Figura 13. Procedimiento a seguir para implementar proceso constructivo de manera automática
- Figura 14. Procedimiento a seguir para implementar proceso constructivo de manera manual
- Figura 15. Procedimiento a seguir para implementar proceso constructivo de manera manual
- Figura 16. Elevación de modelo en 2D de edificio.
- Figura 17. DMF considerando procesos constructivos
- Figura 18. Deformación considerando Procesos Constructivos
- Figura 19. Edificio en análisis con cargas distribuidas aplicadas
- Figura 20. DMF considerando procesos constructivos
- Figura 21. Elevación de modelo en 2D de edificio. v
- Figura 22. Deformación considerando cargas puntuales en los nudos
- Figura 23. DMF considerando cargas puntuales en los nudos
- Figura 24. DMF típico de pórticos elevados cuando no se contempla P.C. (San Bartolomé, 1998)
- Figura 25. Deformación considerando Procesos
- Figura 26. Deformación sin considerar
- Figura 27. DFA considerando Procesos Constructivos Figura 28. DFA sin considerar
- Figura 29. DMF sin considerar Procesos Figura 30. DMF considerando Procesos Constructivos
- Figura 31. Vigueta a analizar.
- Figura 32. Vigueta en análisis................................................................................................................
- Figura 33. Carga muerta aplicada en la vigueta
- Figura 34. Carga viva aplicada en la vigueta en análisis........................................................................
- Figura 35. Deformada de la vigueta en análisis.
- Figura 36. Resultado de DMF para la vigueta en análisis
- Figura 37. Resultado de DFC para la vigueta en análisis
- Figura 38. Paños a analizar....................................................................................................................
- Figura 39. Modelo de elementos finitos – losa.....................................................................................
- Figura 40. Momentos M1
- Figura 41. Momentos M1
- Figura 42. DMF para la viga en análisis
- Figura 43. DFC para la viga en análisis
- Figura 44. Descripción del caso (a)
- Figura 45. Detalle de longitud de empalme para vigas
- Figura 46. DMF Carga Muerta
- Figura 47. DMF Carga Viva
- Figura 48. Diseño final de viga
- Figura 49. Fuerza cortante de diseño en columnas
- flexocompresión. (Blanco, 1994) Figura 50. Espaciamiento del refuerzo transversal para elementos sismo-resistentes en
- Figura 51. Sección transversal de columna en análisis.
- Figura 52. Detalle de traslapes en columnas
- Figura 53. Diseño final de columna.......................................................................................................
- Figura 54. Diseño final de placa
- Figura 55. Zonas críticas en zapatas......................................................................................................
- Figura 56. Sección crítica de corte por flexión (Harmsen, 2002)
- Figura 57. Sección crítica de corte por punzonamiento (Harmsen, 2002)
- Figura 58. Zapatas en análisis
- Figura 59. Cargas aplicadas en las zapatas conectadas.
- Figura 60. Verificación de presiones para el caso CM+CV en el modelo de SAFE
- Figura 61. Cargas aplicadas en las zapatas conectadas
- Figura 62. Verificación de presiones para el caso CM+CV+0.8SX en el modelo de SAFE
- Figura 63. Cargas aplicadas en las zapatas conectadas
- Figura 64. Verificación de presiones para el caso CM+CV-0.8SX en el modelo de SAFE
- Figura 65. Verificación de presiones para el caso CM+CV+0.8SY en el modelo de SAFE
- Figura 66. Vista en planta de zapata en análisis
- Figura 67. DMF de la viga VC- vi
- Figura 68. DFC de la viga VC-
- Figura 69. Elevación de viga en análisis
- Figura 70. Ruta para exportar cargas de Etabs
- Figura 71. Verificación de presiones
- Figura 72. Diseño final de la cimentación
- Figura 73. Vista en planta de escalera en estudio
- Figura 75. DMF de tramo impar de escalera en estudio.....................................................................
- Figura 74. DFC de tramo impar de escalera en estudio
- Figura 77. DMF de tramo par de escalera en estudio.........................................................................
- Figura 76. DFC de tramo par de escalera en estudio
- Figura 78. Elevación de tramo 1 de escalera en estudio
- Figura 79. Elevación de tramo 2 de escalera en estudio
- Figura 80. Elevación de tramo 3 de escalera en estudio
- Figura 81. Elevación de tramo 4 de escalera en estudio
- Gráfico 1. Espectro empleado para el análisis dinámico. ÍNDICE DE GRÁFICOS
- Gráfico 2. Comparación de desplazamientos verticales con PC y sin PC (San Bartolomé, 1998)
- Gráfico 3. Puntos notables en el diagrama de interacción. (Otazzi, 2018)
- Gráfico 4. Diagrama de Interacción de columna en análisis M33
- Gráfico 5. Diagrama de Interacción de columna en análisis M22
- Gráfico 6. Diagrama de Interacción de placa en análisis M33
- Gráfico 7. Diagrama de Interacción de placa en análisis M22
- Tabla 1. Cargas de la norma E.020 ÍNDICE DE TABLAS
- Tabla 2. Cargas vivas mínimas repartidas.
- Tabla 3. Carga muerta por niveles
- Tabla 4. Modos de vibración y porcentaje de masa participante.
- Tabla 5. Períodos del edificio en análisis
- Tabla 6. Verificación de la irregularidad por torsión en XX
- Tabla 7. Verificación de la irregularidad por torsión en YY.
- Tabla 8. Coordenadas de CR y CM
- Tabla 9. Rigidez por nivel en la dirección XX............................................................................
- Tabla 10. Rigidez por nivel en la dirección YY.
- Tabla 11. Datos a utilizar para análisis estático
- Tabla 12. Distribución de cortantes por nivel
- Tabla 13. Cortantes amplificadas para la dirección XX.
- Tabla 14. Cortantes amplificadas para la dirección YY.
- Tabla 15. Desplazamientos y derivas en la dirección XX. vii
- Tabla 16. Desplazamientos y derivas en la dirección YY.
- Tabla 17. Verificación de sistema estructural.
- Tabla 18. Resultados de MF para ambos tramos de viga en estudio
- Tabla 19. Resultados de Desplazamientos para CE y CI.
- Tabla 20. Cálculo de coeficiente alfa para edifcio en estudio.....................................................
- Tabla 21. Resultados del edificio por efectos de la deformación axial
- Tabla 22. Resultados del edificio por efectos de la carga distribuida (Sin def. axial)
- Tabla 23. Resultados de Desplazamientos para CE y CI.
- Tabla 24. Resultados de MF para ambos tramos de viga en estudio
- Tabla 25. Resultados de las fuerzas puntuales aplicadas en el edificio
- Tabla 26. Resultados de Desplazamientos para CE y CI.
- Tabla 27. Resultados de MF para ambos tramos de viga en estudio
- Tabla 28. Cuadro de deformaciones por nivel
- Tabla 29. Resultados para la zona de momento negativo de la vigueta
- Tabla 30. Resultados para la zona de momento positivo de la vigueta
- Tabla 31. Resultados del análisis por cortante la viga en estudio
- Tabla 32. Deflexión para vigueta en análisis
- Tabla 33. Deflexión máxima permitida para la vigueta en análisis
- Tabla 34. Resultados para la zona de momento en XX de la losa maciza
- Tabla 35. Resultados para la zona de momento en YY de la losa maciza
- Tabla 36. Acero colocado en zona positiva y negativa de la viga en estudio
- Tabla 37. Estribos colocados en los tramos de la viga en estudio
- Tabla 38. Resultados de deflexión en viga de estudio
- Tabla 39. Cargas de las nueve combinaciones para la columna C4
- Tabla 40. Acero longitudinal colocado de columna en análisis
- Tabla 41. Diseño por cortante en la dirección X.........................................................................
- Tabla 42. Diseño por cortante en la dirección Y.
- Tabla 43. Cortantes sin amplificar y amplificadas por 2.5
- Tabla 44. Cargas obtenidas del modelo del edificio para PL-
- Tabla 45. Iteración para el cálculo de c
- Tabla 46. Valores utilizados para el diseño de la zapata.............................................................
- Tabla 47. Cargas utilizadas para P9 y C6
forman un sistema de muros estructurales. Las características de los materiales a usar
serán mencionadas en el inciso 1.4.
Figura 2. Planta de la edificación. Figura 3. Elevación de la edificación.
1.2 Aspectos Geotécnicos
Los resultados del estudio de mecánica de suelos dieron a conocer que en esta zona se
cuenta con una grava densa, la cual según la norma E.030 es clasificado como un suelo
S1 con capacidad portante de 4 kg/cm2. Asimismo, el Instituto Geofísico del Perú
(2010) en su informe Zonificación sísmico-geotécnica para siete distritos de Lima
Metropolitana confirma que el suelo del lugar coincide con la clasificación de la norma
E.030. En la FIGURA 3 se muestra el mapa de zonificación de tipos de suelo para Lima
Metropolitana.
Figura 4. Mapa de zonificación de tipos de suelos para Lima Metropolitana elaborado por el CISMID para la APESEG (2005).
1.3 Normativa aplicada
Para el correcto diseño de la estructura, se tomó como base la normativa del Reglamento
Nacional de Edificaciones de concreto, acero y sismo resistente (RNE):
- RNE E.020 Cargas. 2006
- RNE E.030 Diseño Sismo resistente. 201 8
Carga Muerta
Dentro de esta categoría, las cargas que se usarán son las siguientes:
Tabla 1. Cargas de la norma E.
Elemento Peso Unitario
Losa aligerada h=0.25m 0.350 ton/m
Piso terminado (5 cm) 0.10 ton/m
Tabiquería (Ladrillos pandereta) 1.35 ton/m
Carga Viva
Dentro de esta categoría, las cargas que se usarán son las siguientes:
Tabla 2. Cargas vivas mínimas repartidas.
Ocupación o uso Cargas Repartidas (Kg/m2)
Viviendas 200
Corredores y escaleras 200
Azotea 100
2 CAPÍTULO 2: PREDIMENSIONAMIENTO Y ESTRUCTURACIÓN
2.1 Estructuración
La estructuración es una de las etapas más importantes del proyecto, ya que consiste en
determinar la ubicación y características de los elementos estructurales, los cuales en
conjunto deben brindar un adecuado comportamiento durante el tiempo de vida útil de
la edificación. Se determinará la ubicación de columnas, vigas, placas, losas macizas y
losas aligeradas. Esta se elaborará teniendo como base la arquitectura de la edificación,
tratando de no afectarla; es por ello que, si esta posee una alta complejidad en cuanto a
la forma de la estructura, más complejo será realizar un análisis sísmico al edificio; por
ello, mientras más simple y limpia sea la estructuración, mejor se acercará la
idealización planteada a la estructura real en cuanto al análisis sísmico.
Se debe considerar como principales criterios para lograr una correcta estructura sismo-
resistente los siguientes:
- simplicidad y simetría
- resistencia y ductilidad
- hiperestaticidad y monolitismo
- uniformidad y continuidad de la estructura
- rigidez lateral
Para realizar la estructuración, se tendrá en cuenta los posibles problemas de torsión
que se pueden generar debido a una mala estructuración, se tratará que el centro de
masa (CM) y centro de rigidez (CR) se ubiquen lo más cerca posible. Además, la
colocación estratégica de placas se hará con dos fines: control de torsión del edificio y
aportar rigidez lateral a la estructura.
Figura 5. Estructuración.
Elementos verticales
Como se mencionó anteriormente, uno de los fines de la colocación de placas es el
aportar rigidez a la estructura. Como se puede apreciar en la FIGURA 1.4 se colocaron
placas en los ejes 1, 3, 5 y 6 en la dirección X-X. Por otro lado, en la dirección Y-Y
contamos con placas en los ejes A, C, D Y F. Además, también contamos con las placas
correspondientes a la zona de ascensor y escaleras.
Losas Macizas
Para calcular el espesor de las losas aligeradas armadas en una dirección se recurrió
a los criterios prácticos tales como los que se consideran en el libro de estructuras
del Ingeniero Blanco:
Espesor = Luz libre / 25
De esta manera, la losa maciza ubicada entre los ejes A-D/1-2 tiene la mayor longitud
de luz libre con un valor de 5.5m:
Espesor = 550 / 25 = 22cm
Para el paño de mayor luz, corresponde un espesor de 22cm. Sin embargo, debido a
que la mayoría de paños tienen menores longitudes de luz, se decide finalmente
emplear un espesor de 20cm
2.2.2 Predimensionamiento de vigas:
Según el criterio considerado en el libro del Ingeniero Blanco, para establecer el
peralte (h) en vigas, el rango aceptable de peralte que debe generalmente tener una
viga está entre 1/10 a 1/12 veces la luz libre de viga. En este caso la viga más larga
es continua y presenta una longitud de 8 m, entonces:
h1 =8m/12= 0.667m
h2 =8m/10= 0.8m
Dado que contamos con vigas de longitud menores a 6.5m en la mayoría de tramos,
por lo cual se puede optar por usar vigas de 25 x 60, 30 x 60 o de 40 x 60; sin
embargo, para uniformizar nuestra estructura se decidió colocar vigas de sección de
25x60.
2.2.3 Predimensionamiento de columnas:
Como criterio de predimensionamiento de columnas, se tomó en cuenta la cantidad
de muros de corte, ya que tanto la rigidez como la resistencia del edificio van a
depender de estos muros; es por ello, que será la fuerza axial quien gobierne el diseño
de las columnas en este proyecto. Las columnas con las características mencionadas,
se pueden predimensionar con las siguientes expresiones:
Para columnas con P(servicio)> 200 Ton:
Área de la columna =
P(servicio)
0 .45f′c
Para columnas con P(servicio)< 200 Ton:
Área de la columna =
P(servicio)
0 .35f′c
Se puede considerar que el peso aproximado por m2 en una edificación oscila entre
0.9 y 1.2 ton, para este caso tomaremos un valor promedio de 1 ton/m2.
A manera de ejemplo, se hará el predimensionamiento para la columna ubicada entre
los ejes F y 3.
- P(servicio) = Área tributaria x número de pisos x carga distribuida
- Área tributaria = 31.9 m
- Número de pisos = 10
- Carga distribuida = 1 ton/m
- Área de la columna= 31.9𝑥 10 𝑥 1000 /0.45𝑥210 = 3375.7 𝑐𝑚2 → 25x14 0 𝑐𝑚
2.2.4 Predimensionamiento de Placas
Las placas de concreto armado son los elementos estructurales que más rigidez y
resistencia aportan a la estructura en el sentido que estén orientadas, ya sea en X-X
o Y-Y. Además, son estas las encargadas de resistir las fuerzas cortantes producidas
por los sismos.
- Las vigas en esta edificación tendrán un espesor de 25cm. Por lo tanto, las placas
deberán tener como mínimo esa dimensión, ya que es necesario para que se
desarrolle un anclaje adecuado.
- Se usará 25 cm como espesor para no alterar la arquitectura del edificio.
Además, cabe mencionar que se colocarán placas en las zonas de ascensor y escaleras
de emergencia, con el fin de que sirvan como núcleo de la planta.
3 CAPITULO 3: ANÁLISIS SÍSMICO
3.1 Modelo estructural
Para poder realizar el modelo estructural de la edificación y, posteriormente, realizar el
análisis sísmico se hizo uso del software ETABS 2016. El modelo de la edificación
consta de 10 pisos, cuyos elementos estructurales (vigas, placas, columnas y losas) se
modelaron como se puede apreciar en la FIGURA 6. Para el modelo realizado se tomó
en cuenta todas las disposiciones de la norma E.030.
Figura 6. Modelo de la edificación en análisis – ETABS 2016.
El peso total del edificio hallado con el programa ETABS 2016 es de 3 721 ton.
Considerando 1ton/m2 por piso, obtenemos 365.3 ton por piso, por lo tanto, para los 10
pisos el peso sería 3653 ton. Por lo dicho anteriormente, se concluye que el modelo
realizado es correcto. La siguiente tabla muestra la distribución de carga muerta por
nivel:
Tabla 3. Carga muerta por niveles
3.2 Masa sísmica
A diferencia de las cargas muertas, las cargas vivas consideradas en el diseño son muy
poco probables que se den. Por ejemplo, la carga viva considerada para esta edificación
es 200 kg/m2. Sin embargo, es casi imposible que en cada metro cuadrado de la planta
en análisis se tenga 200 kg de carga viva. Por esta razón, para el análisis sísmico solo
se considera un porcentaje de la carga viva, el cual depende de la importancia de la
edificación.
Según la norma E.030, para una edificación destinada a viviendas (Categoría C) el
porcentaje de carga viva a tomar es 25%. Por lo tanto, el peso de la edificación será:
Peso = 100% Carga Muerta + 25% Carga Viva
3.3 Modos y periodos resultantes
Los modos de vibración para una edificación son equivalentes al número de grados de
libertad y se sabe que es preciso considerar 3 grados de libertad por nivel (2 de
desplazamientos y uno de giro). En este sentido, como la edificación cuenta con 10
