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FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
ASESOR:
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN:
Diseño Sísmico y Estructural
Lima – Perú
2020
“Diseño estructural de vivienda aporticada de 7 pisos con previgas
de concreto armado en la Calle Aviación – San Miguel 2020”
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
Mg. Cesar Augusto Paccha Rufasto (ORCID: 0000-0003-2085-3046)
TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
Ingeniera Civil
AUTOR A S:
Calderón Salazar Anita Celinda (ORCID: 0000-0002-9909-3168) Quintana Abal Geraldine Lisett (ORCID: 0000-0002-1963-3823)
I
Dedicamos este proyecto de investigación primeramente a Dios por darnos fuerzas para avanzar en los estudios. También a nuestros padres por sus consejos, motivación y valores, asimismo a todas las personas que nos brindaron su apoyo incondicional.
Calderón Salazar Anita Celinda Quintana Abal Geraldine Lisett
III
Índice de contenidos Pág.
RESUMEN ....................................................................................................... xii
VI
Índice de figura
- I. INTRODUCCIÓN ......................................................................................... ABSTRACT xiii
- II. MARCO TEÓRICO ......................................................................................
- III. MÉTODO ...............................................................................................
- 3.1. Tipo y Diseño de Investigación............................................................
- 3.2. Variables y Operacionalización ...........................................................
- 3.2.1. Definición operacional ..................................................................
- 3.2.2. Indicadores ...................................................................................
- 3.2.3. Escala de medición.......................................................................
- 3.3. Población, muestra, muestreo, unidad de análisis ..............................
- 3.3.1. Población ......................................................................................
- 3.3.2. Muestra y muestreo ......................................................................
- 3.4. Técnica e instrumentos de recolección de datos .................................
- 3.4.1. Técnica .........................................................................................
- 3.4.2. Instrumento ..................................................................................
- 3.4.3. Validez y confiabilidad de los instrumentos ...................................
- 3.5. Procedimiento .....................................................................................
- IV. RESULTADOS .......................................................................................
- 4.1. Estudio de Mecánica de Suelos ..........................................................
- 4.2. Diseño sismo resistente ......................................................................
- 4.2.1. Predimensionamiento ...................................................................
- 4.3. Calculo de Acero de refuerzo ..............................................................
- 4.3.1. Cuantía de acero en una columna ................................................
- 4.3.2. Cuantía de acero de una viga .......................................................
- 4.4. Análisis sísmico de la estructura .........................................................
- 4.4.1. Procedimiento del análisis sísmico de la estructura ...................... IV
- 4.4.2. Análisis Estático empleando viga convencional y previga .............
- 4.4.3. Análisis Dinámico empleando viga convencional y previga ..........
- 4.5. Presupuesto de viga convencional y previga.......................................
- 4.6. Análisis comparativo de tiempo de ejecución ......................................
- V. DISCUSION ..............................................................................................
- VI. CONCLUSIONES ................................................................................
- VII. RECOMENDACIONES ........................................................................
- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..............................................................
- ANEXOS ........................................................................................................
- ANEXO 1: “Operacionalización de variables” .............................................
- ANEXO 2: “Matriz de consistencia” ............................................................
- ANEXO 3: “Ficha Técnica de Previga” .......................................................
- ANEXO 4: “Panel Fotográfico – Visita de campo” .......................................
- ANEXO 5: “ Cotización de previga ” ............................................................
- ANEXO 6: “Parámetro informativo – San Miguel” .......................................
- ANEXO 7: “Informe Técnico de Estudio de Mecánica de Suelos “ ..............
- ANEXO 8: “Plano de ubicación y localización” ...........................................
- ANEXO 9: “Planos de Arquitectura” ............................................................
- ANEXO 10: “Planos de Estructuras” ...........................................................
- ANEXO 11 : “Modelado 3D de la estructura” ...............................................
- Figura N°1: “Proceso de fabricación”……..………………………………………. Pág.
- Figura N°2: “Previga – Betondecken”………………………………………..…….
- Figura N°3: “Izaje de previgas”……………………………………………………..
- Figura N°4: “Especificaciones Técnica de la Pre-viga”…………………..………
- Figura N°5: “Detalle previgas y columna mediante dowells”…………………….
- Figura N° 6: “Union de elementos estructurales”………………………………….
- Figura N° 7: “Sellado de juntas”………………………………………………….….1
- Figura N°8: “Población a estudiar – San Miguel”………………………………….
- Figura N°9: “Lote de Estudio – San Miguel”…………………………………..…...
- Figura N°10: “Plano de ubicación del informe de suelos”…………………………
- Figura N°11: “Mapa de Zonas Sísmicas – Perú”…………………………….…...
- Figura N°12: “Tabla de Factores de Zona “Z””……………………………..……..
- Figura N°13: “Tabla de Factores de Suelo “S””……………………………………
- Figura N°14: “Tabla de Periodos “TP” y “TL””……………………….……………..
- Figura N°15: “Tabla de Categoría de las Edificaciones y Factor “U””…………..
- Ro”……………………………………………………………………….…………….3 Figura N°16: “Tabla de Sistemas estructurales y Coeficiente básico de reducción
- Figura N°17: “Tabla de factores de cálculo de asentamiento diferencial”…..….
- Figura N°18: “Tabla de Cargas Vivas Mínimas Repartidas”……………………..
- Figura N°19: “Tabla de Factores para predimensionamiento de vigas”…………
- Figura N°20: “Luz más desfavorable del plano en el eje Y”………………………
- Figura N°21: “Luz más desfavorable del plano en el eje “X””………….…………3
VII
Figura N°22: “Tabla de Cuadro de espesores de losa en una sola dirección”……………………………………………………………………………...
Figura Nº23: “Tabla de Cálculo de columnas iniciales”……………………..……
Figura Nº24: “Tabla de Predimensionamiento inicial de columnas”………….…
Figura Nº25: “Área tributaria para columna central”………………………..…….4 2
Figura Nº26: “Tabla de cálculos de columnas de acuerdo a su función”……….
Figura Nº27: “Tabla de Predimensionamiento inicial de columnas”…………..…
Figura Nº28: “Área tributaria para columna excéntrica”…………………………..4 4
Figura N°29: “Tabla de Cálculo de sección de columna excéntrica”…………….4 5
Figura Nº30: “Área tributaria de columna esquinera”…………………………….. 46
Figura Nº31: “Tabla de Cálculo de sección de columna esquinera”………….…
Figura Nº32: “Representación gráfica de acero en viga principal y cortes entre el eje (1-2), de acuerdo a lo calculado”…………………………………………..
Figura Nº33: “Representación gráfica de acero en viga secundaria y cortes entre el eje (A - B), de acuerdo a lo calculado”…………………………………………..
Figura N°34: “Ingreso de dimensiones en el eje “X” – eje “Y” de la edificación en planta para el diseño con viga convencional y previga”…………………………. 55
Figura N°35: “Definir altura de cada piso de la estructura para el diseño con viga convencional y previga”……………………………………………………………... 55
Figura N°36: “Definir materiales –concreto f´c=210 kg/cm2 para el diseño de la estructura con viga convencional y previga”……………………….………..…….
Figura N°37: “Definir materiales –concreto f´c=280 kg/cm2 (viga principal y secundaria) para el diseño de la estructura con Previga”………………………..
Figura N°38: “Definir materiales – Acero f´y=4200 kg/cm2 para el diseño de la estructura con viga convencional y previga”…………………………………..…..
Figura N°39: “Materiales definidos para la estructura a modelar con viga convencional y Previga”……………………………………………………..………
IX
Figura N°54: “Cargas de techo de la estructura para el diseño con viga convencional y previga”…………………………………………………………...…
Figura N°55: “Diafragma rígido de la estructura para el diseño de viga convencional y previga”……………………………………………………………...
Figura N°56: “Estimación de peso de la estructura, para el diseño de viga convencional y previga”…………………………………………………………...…
Figura N°57: “Comparación de los 2 periodos, para el diseño de viga convencional”…………………………………………………………………………
Figura N°58: “Comparación de los 2 periodos, para el diseño de Previga”…….
Figura N°59: “Patrón de carga para el sismo estático en “X” para el diseño con viga convencional y previga”……………………………………………………..….
Figura N°60: “Patrón de carga para el sismo estático en “Y” para el diseño con viga convencional y previga”………………………………………………………...
Figura N°61: “Distribución de cortante “X” por piso de la estructura, para el diseño con viga convencional y previga”………….……………………….……..
Figura N°62: “Distribución de cortante “Y” por piso de la estructura, para el diseño con viga convencional y previga”…………..……………………………
Figura N°63: “Definir el espectro respuesta para el sismo dinámico de la estructura, para el diseño con viga convencional y previga”…………….……….
Figura N°64: “Definir sismo dinámico en “X” de la estructura, para el diseño con viga convencional y previga”………………………………………………….……..
Figura N°65: “Definir la excentricidad del sismo dinámico en “X” de la estructura, para el diseño con viga convencional y previga”………………………………….
Figura N°66: “Definir sismo dinámico en “Y” de la estructura, para el diseño con viga convencional y previga”…………………………………………………….…..7 2
Figura N°67: “Definir la excentricidad del sismo dinámico en “Y” de la estructura, para el diseño con viga convencional y previga”…………………………………..7 2
Figura N°68: “La cortante que absorbe los muros debido al sismo dinámico en X=248.5534 T”, para el diseño de viga convencional”…………………………...
X
Figura N°69: “La cortante que absorbe los muros debido al sismo dinámico en Y=244.3494 T”, para el diseño de viga convencional”……………………………
Figura N°70: “La cortante que absorbe los muros debido al sismo dinámico en X=249.3012 T”, para el diseño de previga”………………………………………..
Figura N°71: “La cortante que absorbe los muros debido al sismo dinámico en Y=245.4395 T”, para el diseño de previga”……………………………………..…
Figura N°72: “Periodos de la estructura (X, Y, Z), para el diseño con viga convencional”……………………………………………………………………….
Figura N°73: “Periodos de la estructura (X, Y, Z) para el diseño con Previga”… 77
Figura N°74: “Peso de la estructura, para el diseño con viga convencional y previga”………………………………………………………………………………..
Figura N°75: “Parámetros de cortante estático, para el diseño con viga convencional”…………………………………………………………………………
Figura N°76: “Parámetros de cortante estático, para el diseño con Previga”…………………………………………………………………………..……
Figura N°77: “Tabla de cortante por piso para viga convencional y previga”….
Figura N°78: “Verificación cortante estática, para el diseño con viga convencional”…….…………………………………………………………………...
Figura N°79: “Verificación cortante estática, para el diseño con previga”……...
Figura N°80: “Espectro respuesta para sismo dinámico, para el diseño con viga convencional y previga”……………………………………………………………...
Figura N°81: “Grafico del espectro de respuesta “X”, para el diseño con viga convencional y previga”…………………………………………………….………..
Figura N°82: “Grafico del espectro de respuesta “Y”, para el diseño con viga convencional y previga”……………………………………………………………...
Figura N°83: “Fuerzas debido al sismo dinámico, para el diseño con viga convencional”……………………………………………………………………...….
XII
RESUMEN
En el desarrollo de proyecto de investigación titulada “Diseño estructural de vivienda aporticada de 7 pisos con previgas de concreto armado en la Calle Aviación – San Miguel 2020” se realizó el diseño de dos estructuras en un área de 1600m2, cada torre cuenta con un área construida de 384.15 m2. Se realizó un análisis estructural con la finalidad de obtener resultados del análisis sísmico estático y dinámico, empleando viga convencional y previga.
Para ello se buscó responder a las siguientes preguntas: ¿Cómo influirá la previga de concreto armado en el diseño estructural de la vivienda aporticada de 7 pisos en la calle Aviación-San Miguel?, ¿De qué manera las previgas de concreto armado mejora la resistencia del diseño estructural de la vivienda aporticada de 7 pisos?, ¿De qué manera las previgas de concreto armado reduce la deformación del diseño estructural de la vivienda aporticada de 7 pisos? y ¿Cómo el uso de las previgas de concreto armado beneficia en el diseño estructural de la vivienda aporticada de 7 pisos?.
Con los datos obtenidos del informe de Estudio de Mecánica de Suelos se procedió a calcular la capacidad portante del suelo para la vivienda de sistema aporticada. También se realizó el predimensionamiento y el metrado de cargas consiguiendo las secciones de cada elemento estructural, culminando con el cálculo de acero, mediante el uso de cuantías mínimas; teniendo en cuenta las especificaciones técnicas mínimas del Reglamento Nacional de Edificaciones.
Finalmente, se procedió al diseño del plano estructural con todos sus elementos (vigas, columnas, losas, zapata, placa), para posteriormente hacer el diseño sísmico de toda la estructura. Para ello de utilizo los requisitos mínimos especificados en la norma E030, y E020, obteniendo un modelamiento estático y un modelamiento dinámico cada uno con sus respectivas respuestas.
Palabras clave: Diseño estructural, Previga de concreto, sistema aporticado.
XIII
ABSTRACT
In the development of a research project entitled "Structural design of a 7-story porch housing with reinforced concrete foundations in Street Aviation - San Miguel 2020", the design of two structures was carried out in an area of 1600m2, each tower has an area built of 384.15 m2. A structural analysis was carried out in order to obtain results of the static and dynamic seismic analysis, using conventional beam and predict.
In order to do this, we sought to answer the following questions: How will the reinforced concrete beam influence the structural design of the 7-story porch house on Aviation - San Miguel street? How does the reinforced concrete beam improve resistance? of the structural design of the 7-story porch house? In what way does the reinforced concrete beams reduce the deformation of the structural design of the 7-story porch house? And how does the use of reinforced concrete foundations benefit the structural design of the 7-story porch house?
With the data obtained from the Soil Mechanics Study report, we proceeded to calculate the bearing capacity of the soil for the built-in housing. The pre- dimensioning and metering of loads was also carried out, obtaining the sections of each structural element, culminating in the calculation of steel, through the use of minimum amounts; taking into account the minimum technical specifications of the National Building Regulations.
Finally, the structural plan was designed with all its elements (beams, columns, slabs, footing, plate), to later carry out the seismic design of the entire structure. For this, I use the minimum requirements specified in the E030 and E standards, obtaining a static modeling and a dynamic modeling each with their respective responses.
Keywords: Structural design, Concrete pre-beam, contributed system.
Novas (2010) expuso: “Las condiciones habitacionales determinan el nivel de calidad de vida de la población”. Debido al incremento de la población y a los cambios que se van dando en las diferentes políticas tanto sociales como económicas, el desarrollo de los países es de gran importancia en la industria de la construcción, Por lo tanto, nace la inquietud de buscar nuevas formas constructivas que sean de fácil aplicación para las viviendas hoy en día se requiere construcciones de viviendas rápidas y seguras, que cumplan con las condiciones necesarias para ser habitadas. CAPECO (2020) menciono: “El sector de la construcción este año registrara su peor resultado en todo este tiempo, según la estadística del PBI (% variación anual), desde el año 1981 hasta el año 2020 el Perú tuvo cuatro caídas importantes. La caída más fuerte lo está sufriendo ahora con una caída de 30.3% de PBI”, a raíz del COVID-19. La industria de la construcción se vio muy afectada, por este motivo muchas empresas constructoras optaran por usar elementos prefabricados y sus construcciones futuras. En los últimos años en el Perú, la demanda de elementos prefabricados ha ido en aumento debido a una serie de prestaciones y/o optimizaciones técnicas, económica y de tiempo que implica su utilización en obra. INEI (2020) indico: “El distrito San Miguel en la actualidad cuenta con 148, habitantes y para el año 2025 tendrá un incremento de 155,021 habitantes”. Como se puede apreciar existirá un aumento de población, por lo tanto, es necesario construir viviendas con elementos estructurales resistentes. El presente estudio de investigación surge con la necesidad de hacer un diseño estructural de una vivienda de sistema aporticado con previgas de concreto armado y ver los desplazamientos, esfuerzos y deformaciones de la misma y así brindar una mejor calidad de vida a la población. Como alternativas de solución se ha creído conveniente mencionar algunas empresas a nivel mundial dedicadas a la fabricación de elementos prefabricados de concreto armado, en especial a la fabricación y venta de previgas de concreto armado, Zenet Prefabricados tiene como producto las “vigas cajón Zenet y Precon tiene como producto a las “formavigas” ambos elementos estructurales tienen forma de “U” (lados laterales y de fondo) de 5 cm de espesor el cual elimina el uso de encofrado y permite cubrir grandes luces y cargas logrando materializar mudos rígidos con el grado ductilidad necesario en el caso de
eventos sísmicos. Estas vigas se pueden diseñar de acuerdo a la geometría y medida permitiendo la adherencia de vigas secundarias. El Perú se encuentra en constante desarrollo y para ello se requiere implementar tecnologías y nuevos procesos constructivos Betondecken S.A.C. Es una empresa que se dedica a la fabricación de elementos estructurales prefabricados de concreto. Dentro de sus productos tiene incluida a la previga este es un elemento estructural compuesto por un casquete prefabricado de concreto armado, con un espesor de 5 cm (lados laterales y fondo), el cual contiene parte de refuerzo longitudinal y transversal. El casco es empleado como encofrado y vaciado in-situ para obtener una viga de concreto armado. La justificación teórica, el presente estudio se enfoca en aportar y ampliar conocimiento para futuras generaciones tanto a estudiantes de Ingeniería Civil o Arquitectura. La innovación tecnológica en la construcción es sinónimo de búsqueda e implementación de una nueva tecnología para mejorar la eficiencia de las funciones de cualquier sistema constructivo proponiendo un mejor resultado. En lo social es aportar a la sociedad o comunidad el nuevo sistema constructivo como es las previgas. Sobre la base de realidad problemática presentada se planteó el problema general y los problemas específicos de la investigación. El problema general de la investigación fue ¿Cómo influirá la previga de concreto armado en el diseño estructural de la vivienda aporticada de 7 pisos en la calle Aviación-San Miguel? Los problemas específicos de la investigación fueron los siguientes: PE1: ¿De qué manera las previgas de concreto armado mejora la resistencia del diseño estructural de la vivienda aporticada de 7 pisos en la calle Aviación-San Miguel?
PE2: ¿De qué manera las previgas de concreto armado reduce el desplazamiento en el diseño estructural de la vivienda aporticada de 7 pisos en la calle Aviación-San Miguel?
PE3: ¿Cómo beneficia el uso de las previgas de concreto armado en el diseño estructural de la vivienda aporticada de 7 pisos en la calle Aviación-San Miguel?
El objetivo general determinar cómo influirá la previga de concreto armado en
diseño no experimental. Se concluyó que la norma peruana E. 030 presenta valores más conservadores y la norma chilena presento valores deficientes.
Janampa (2018) analizó como interviene el cálculo en el diseño estructural de la vivienda multifamiliar de 5 pisos y un semisótano. Obtuvo una metodología de investigación aplicadas-correlacional-descriptiva- no correlacional- transversal. Concluyó que el diseño estructural influye significativamente en el pre dimensionamiento de vigas y columnas que conforman un edificio.
Huaraca (2018) realizó el análisis comparativo aplicando el software Robot Structural analysis y Etabs para evaluar el comportamiento estructural de viviendas autoconstruidas en el distrito de Pucara- Huancayo. Utilizó como muestra las viviendas autoconstruidas y recolecto información a través de una ficha de observación; metodológicamente el tipo de investigación descriptiva- aplicada- correlacional, concluyó que la evaluación del comportamiento estructural de una vivienda autoconstruida aplicado el software robot Structural analysis y Etabs, se comporta adecuadamente, cumpliendo los requerimientos de las normas peruanas (E. 030, E. 0.60, E. 070).
Percca (2015) Realizo el estudio y análisis costo-beneficio de la aplicación de elementos prefabricados de concreto en el casco estructural del proyecto “Tottus Guipor”, el objetivo fue realizar un análisis comparativo de la construcción del casco de un proyecto que fue realizado en más de un 70% con prefabricados de concreto Tottus los olivos frente al sistema convencional, vaciado in situ. Se concluyó que la aplicación del sistema constructivo de elementos prefabricados de concreto tiene beneficios claves en un proyecto de construcción y ventajas resaltantes frente a la obra convencional, vaciada in situ. Sin embargo, nuestra sociedad permanece aún escéptica al cambio e innovación de sistemas constructivos.
Piscal, López, & Afanador (2014) analizaron la posibilidad económica y funcional del uso de sistemas estructurales aporticados, ubicados en zonas de amenaza sísmica intermedia. Utilizaron el software (SAP2000) para el análisis de la estructura típica, tipo de suelo y parámetros sísmicos. Se concluyó que los resultados anteriores son de utilidad para los ingenieros diseñadores, ya que permiten conocer aproximadamente las secciones requeridas tanto de vigas
como de columnas necesarias para cumplir requisitos de rigidez en proyectos futuros que se van a desarrollar.
Acevedo & Duarte (2010) Aplicación de la tecnología de los prefabricados estructurales para la construcción de viviendas multifamiliares de hasta cuatro niveles en el área Metropolitana de San Salvador, Objetivo es aplicar la tecnología de elementos estructurales prefabricados para la construcción de viviendas multifamiliares de interés social en edificios de hasta cuatro niveles, en el Área Metropolitana de San Salvador, para coadyuvar a la solución del déficit habitacional y el crecimiento en la demanda de vivienda de la población de los sectores con más bajos ingresos salariales, donde concluyen que adoptando prefabricados estructurales en el proceso de fabricación de un edificio de cuatro niveles con grandes paneles de prefabricados estructurales, respecto al sistema de construcción convencional in situ o tradicional, el tiempo total reduce en 43% ( de 242 días a 138 días), lo cual da mayores ventajas técnicas y sociales. Los costos directos totales son menores en 19% (s/. 36,536.07) de ahorro o ventaja de inversión, relación beneficio/costo con prefabricados estructurales es mayor que el convencional de referencia (2.11>1.52).
Segundo, se mencionará investigaciones relacionadas a la variable previgas.
Colque & Huamanttica (2019) contribuyo al estudio experimental de elementos preesforzados prefabricados en la provincia del cusco, su metodología es del tipo proyectiva y experimental, la alternativa de construcción de elementos prefabricados permite reducir los plazos de ejecución ya que se eliminan los tiempos muertos entre las distintas tareas o trabajos en obra. Al utilizar el sistema prefabricado es beneficiosa en la construcción de diferentes tipos de obras civiles.
Bendezú (2018) evaluó la construcción de viviendas multifamiliares utilizando sistema constructivo de losas prefabricadas de techo. Utilizo un diseño cuasiexperimental, enfoque cuantitativo y un nivel aplicativo. Concluyo que empleando prelosas se ahorra considerablemente. La calidad entre estas y las convencionales se determinan visualmente en la construcción de la edificación.
Rivera (2017) comparo el nivel del aporte del sistema prefabricado de losa aligerada vigacero vs el sistema convencional de una edificación de 6 pisos en
