Junio 2003
DISEÑO ESTRUCTURAL EN
CONCRETO ARMADO DE UN
EDIFICIO DE NUEVE PISOS EN LA
CIUDAD DE PIURA
Elmer Cabrera Cabrera
Piura, 04 de Junio de 2003
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Civil
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metrado de cargas de grandes edificaciones
Tipo: Apuntes
2019/2020
1 / 142
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Junio 2003
DISEÑO ESTRUCTURAL EN
CONCRETO ARMADO DE UN
EDIFICIO DE NUEVE PISOS EN LA
CIUDAD DE PIURA
Elmer Cabrera Cabrera
Piura, 04 de Junio de 2003
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Civil
DISEÑO ESTRUCTURAL EN CONCRETO ARMADO DE UN EDIFICIO DE NUEVE PISOS EN LA CIUDAD DE PIURA
Esta obra está bajo una licencia Creative Commons Atribución- NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú
Repositorio institucional PIRHUA – Universidad de Piura
A mis queridos padres y hermanos, con mucho cariño, por su constante aliento y apoyo
PROLOGO
Nuestro país se encuentra ubicado en una zona de alta actividad sísmica, debido a esto es importante que los ingenieros civiles tengan una adecuada capacidad para realizar un análisis y diseño sísmo-resistente. El concreto armado es un material muy utilizado en nuestro medio por lo que los ingenieros civiles deben tener un debido conocimiento del comportamiento y diseño del concreto reforzado. La teoría que sustenta el análisis estructural y la filosofía de los reglamentos que norman los diseños deben ser conocidos por todo ingeniero que se dedique al cálculo, diseño y/o construcción. Estos fueron los motivos por los que se ha elaborado el presente trabajo, esperando que sea una guía útil para todos los que busquen orientación en este campo. Finalmente, deseo expresar mi agradecimiento a las personas que de una u otra forma colaboraron en la realización de esta tesis y en especial a mi asesor, Mgtr. Gerardo Chang Recavarren, por su constante apoyo y consejo.
INDICE GENERAL
INTRODUCCION
El objetivo del presente trabajo es realizar el análisis estructural de un edificio y diseñar los principales elementos estructurales; así de esta manera recordar, organizar y complementar, bajo una forma de aplicación práctica, los conocimientos adquiridos en los diversos cursos básicos de la carrera. El edificio de concreto armado es del tipo mixto, es decir conformado por una matriz aporticada provista de muros de corte; tiene nueve pisos, está ubicado en la ciudad de Piura en un terreno en esquina, rodeado por corredores y estacionamiento de vehículos. El área del edificio es de 625 m 2 ( 25 m. x 25 m. ). En un proyecto de la magnitud del presente, se debe realizar un estudio de suelos. El Estudio de Mecánica de Suelos N° 127, efectuado por el Laboratorio de Estructuras y Ensayos de Materiales de Construcción de la Universidad de Piura, forma parte de la información entregada para el presente proyecto. Se partió de una distribución arquitectónica ya definida, que cumple con algunos requisitos importantes, tales como simetría, máximo aprovechamiento de la planta, ventilación , iluminación, etc. El primer nivel tiene dos ingresos como se puede obsevar en la página N°3. Todos los demás niveles tienen una planta típica, la cual se puede observar en la página N°4, ésta cuenta con ocho oficinas, cada una de las cuales posee un ambiente de recibo y un medio baño. Todos los niveles , además, están comunicados por una escalera y mediante un sistema de ascensores que van desde el primer piso hasta la azotea. El edificio tiene una cisterna y un tanque elevado para el abastecimiento de agua potable. Mediante la información que proporcionó el estudio del suelo de cimentación, se hizo un análisis de factibilidad del tipo de cimentación. Luego se procedió a estructurar y predimensionar los elementos estructurales, definiéndolos tanto en ubicación como en dimensión, de tal manera de lograr una estructura estética, segura, funcional y económica. Así se determinó el modelo estructural del proyecto. Después se realizó el metrado de cargas de los distintos elementos estructurales y no estructurales, de acuerdo a la Norma Técnica de Edificación E- 0.20 CARGAS. Teniendo entonces el modelo estructural y el metrado de cargas se procedió a realizar el análisis estructural en dos partes: el sísmico y el vertical. El análisis sísmico se hizo mediante el programa de análisis estructural “SAP 80”, dicho programa realiza el análisis mediante un modelo tridimensional de la estructura. En el análisis vertical se utilizó el programa “PFRAME”, el cual realiza el análisis mediante un modelo bidimensional de pórticos.
Terminado el análisis estructural se efectuó el diseño en concreto armado de los elementos estructurales principales. El diseño se efectuó en base a las disposiciones indicadas en la norma de Concreto Armado E-060 del Reglamento Nacional de Construcciones; para aligerados y vigas se diseñó por flexión y corte, los diagramas de envolvente de esfuerzos se efectuaron mediante una hoja de cálculo desarrollada en Microsoft “EXCEL” ; para columnas y placas se diseñó por flexocompresión y corte, en el diseño de columnas se utilizaron ábacos de los diagramas de interacción, en el caso de las placas los diagramas de interacción se efectuaron mediante una hoja de cálculo desarrollada también en Microsoft “EXCEL” ; la cimentación tuvo que ser profunda con pilotes, debido a las características del suelo de cimentación y a las elevadas cargas producidas en la base del edificio, eligiéndose pilotes del tipo Franki , por ser los más óptimos para nuestro caso. Del tanque elevado, cuartos de máquinas y cisterna, sólo se efectuó el predimensionamiento. Se realizaron luego los respectivos planos estructurales de todos los elementos. El análisis sísmico del presente proyecto se realizó según la Norma Básica de Diseño Sismo-resistente-1977 ; en la actualidad mediante la RESOLUCION MINISTERIAL 494-97-MTC/15.04 del 14.10.97, se aprueba la actualización de la Norma Técnica de Edificaión E.030 Diseño Sismoresistente. En el Anexo E, se han realizado los cálculos con la nueva norma y se ha efectuado la comparación con los resultados obtenidos con la norma anterior.
CAPITULO 1
ESTUDIO DEL SUELO DE CIMENTACION
Todas las obras de ingeniería tienen una acción activa sobre el suelo a través de las cargas que se aplican. Estas cargas pueden variar en su intensidad y forma de aplicación ( concentrada, distribuida, etc. ). El estudio de suelos debe proveer información suficiente para que el ingeniero proyectista pueda efectuar los análisis apropiados, de tal manera que los suelos soporten las cargas con factores de seguridad adecuados y sin que ocurran asentamientos perjudiciales.
1.1 CARACTERISTICAS DEL SUELO
De acuerdo al estudio de suelos N° 127, del Laboratorio de Estructuras y Ensayos de Materiales de la Universidad de Piura, el suelo presenta las siguientes características: Superficialmente está constituido por un material de relleno, que contiene desechos, arena fina y arcilla en estados semi-húmedo. Todo esto hasta 0.80 m. de profundidad. Subyaciendo a este estrato encontramos una estratigrafía errática. Predomina una arena fina limosa de color marrón claro, con presencia de finos no plásticos. Clasificación según el Sistema Unificado SUCS : SM. Se encuentra en estado semi-
1.2 ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DEL TIPO DE CIMENTACION
Analizamos, en primer lugar, la posibilidad de usar pilotes porque su costo resulta menor. De no ser posible la utilización de pilotes, evaluaremos la alternativa de usar celdas de cimentación.
Fig 1.1._ Perfil estratigráfico idealizado
γ = 1.55 gr/cm^3
Ø´= 29° γ = 1.77 gr/cm^3 N = 6
Ø´= 32° γ = 1.80 gr/cm^3 N = 22
Ø´= 32° γ = 2.0 gr/cm^3 N = 22
Ø´= 39° γ = 2.1 gr/cm^3 N = 49
arena fina limosa suelta
arena fina limosa densa
arena fina limosa medianamente densa
material de relleno
napa freática arena fina limosa medianamentedensa
1.2.1 PILOTES
Debido a que el suelo presenta una resistencia media y las cargas que transmitirá el edificio son altas, escogemos pilotes de carga de trabajo media; es decir entre 40 y 70 ton. Los pilotes de concreto vaciado in-situ tipo Franki son los más apropiados para suelos granulares donde la capacidad de carga se alcanza por medio de compactación alrededor del bulbo.
CAPACIDAD ESTRUCTURAL
Vamos a verificar la capacidad estructural para pilotes Franki de 35 cm. y 40 cm. de diámetro: Para pilote de 35 cm. de diámetro. acero = 5 Ø 1/2” ( no hay esfuerzos de izaje ) f´ c = 210 kg/cm 2 f y = 4200 kg/cm R u = 0.85( 0.8521035 2 π/4 + 51.294200 ) R u = 169 ton FS estructural = 3. Q t = 55 ton donde: Ru : Resistencia última estructural Qt : Carga de trabajo
Para pilote de 40 cm. de diámetro. acero = 5 Ø 1/2” ( no hay esfuerzos de izaje ) R u = 0.85( 0.8521040 2 π/4 + 51.294200 ) R u = 213.69 ton FS estructural = 3. Qt = 70 ton
CAPACIDAD DE CARGA DE PILOTES AISLADOS Se denomina capacidad de carga de un pilote, a la capacidad de carga del suelo donde está instalado para soportar las cargas transmitidas por el pilote. Para un pilote aislado embebido en un suelo granular la fórmula a usar es :
Qdi = Qdp + Qdf
Qdi = σ ´ t * N q * A p + Σ K HC σ ´ o * tg ∂ *** A L (1)**
donde : Qdi = capacidad de carga total de pilotes aislados Qdp = capacidad de carga por punta. Qdf = capacidad de carga por fricción. σ´ t = presión efectiva vertical a la profundidad de la punta del pilote N q = factor de capacidad de carga. K HC = coeficiente de empuje horizontal, igual a la relación entre los esfuerzos efectivo horizontal y vertical en un elemento en compresión adyacente al pilote.
(1) (^) R. MICHELENA. Mecánica de suelos aplicada. pág. 155.
arena fina limosa suelta Ø´= 29° γ = 1.77 gr/cm^3
arena fina limosa densa Ø´= 39° γ = 2.1 gr/cm^3
arena fina limosa medianamente densa Ø´= 32° γ = 2.0 gr/cm^3
material de relleno γ = 1.55 gr/cm^3
σ´o ( kg/cm2 )
-1.90 0.
N.F.Z.
Fig 1.2._ Perfil estratigráfico idealizado con detalle de cimentación.
napa freática
arena fina limosa medianamente densa Ø´= 32° γ = 1.80 gr/cm^3
CAPACIDAD DE CARGA DE GRUPO DE PILOTES
Cuando se trata de grupos de pilotes, la falla del grupo puede ocurrir de acuerdo a dos mecanismos diferentes, a los cuales se les denomina Caso A y Caso B. En ambos casos la falla ocurre siguiendo el camino de menor resistencia, como ocurre en todo tipo de falla.
Caso A : Se le llama también falla como pilotes individuales; en este caso el suelo comprendido dentro del grupo de pilotes no forma parte de la masa de suelo que se desplaza, sino que cada pilote individual se desplaza con respecto al suelo que lo rodea. Esta situación ocurre cuando la suma de las capacidades de carga de los pilotes considerados individualmente es menor que la capacidad de carga del grupo de pilotes considerado como un bloque. En este caso la capacidad de carga del grupo está dada por la expresión:
Q` dg = n * Q di (3)
donde: n : número de pilotes del grupo Q di : capacidad de carga de cada pilote aislado Q` dg : capacidad de carga del grupo de pilotes
Caso B : Denominado falla como grupo o como bloque, corresponde al caso en que la masa de suelo comprendida dentro del grupo se desplaza junto con los pilotes en el momento de la falla; este mecanismo de falla ocurre cuando la capacidad de carga del grupo considerado como un bloque resulta menor que la suma de las capacidades de carga de los pilotes individuales. En este caso la capacidad de carga del grupo viene dada por la expresión:
*Q” dg = q d Ag + Σ S s A lg
donde: q d : capacidad de carga (unitaria) del suelo bajo el grupo de pilotes A g : sección transversal del grupo de pilotes S s : fricción lateral en la superficie lateral del grupo A Lg : área lateral del grupo
Una vez calculados Q` dg y Q” dg , se comparan estos valores; el menor de los dos es la capacidad de carga del grupo de pilotes. El análisis de los resultados que se obtienen de los cálculos antes indicados, arroja las siguientes conclusiones:
- Sólo puede ocurrir que Q” dg < Q` dg para pilotes de fricción en arcilla. En estos casos se deben calcular ambos valores y tomar el menor.
- Para pilotes de fricción en arena y pilotes de punta, siempre se obtiene Q” dg >Q` dg. En consecuencia, en estos casos es innecesario hacer el cálculo del Caso B. siendo suficiente trabajar con las capacidades de carga de los pilotes aislados. Esto es aplicable en el presente proyecto, pues tenemos suelos granulares; y la punta del pilote se cimienta sobre una arena fina densa; por lo que la capacidad de carga de grupo de pilotes se hallará sumando las capacidades de carga de los pilotes
(3) (^) R. MICHELENA. Mecánica de suelos aplicada. pág. 171.