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MEMORIA TÉCNICA DEL DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PROYECTO:
FACULTAD CIENCIAS ADMINISTRATIVAS
ANÁLISIS ESTRUCTURAL ING. AGUSTIN ZAMBRANO
MANTA, ENERO DEL 2016.
ING. AGUSTIN ZAMBRANO
MEMORIA DESCRIPTIVA DEL ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PROYECTO: FACULTAD CIENCIAS ADMINISTRATIVAS INTRODUCCIÓN En la Ciudad de Manta, se ha diseñado el Proyecto: FACULTAD CIENCIAS ADMINISTRATIVAS cuya planificación arquitectónica estuvo a cargo de la Arq. Xiomara Ortiz. Los diseños presentados por la mencionada arquitecta, servirán de base para el diseño estructural de este proyecto. Esta memoria de Análisis y Diseño Estructural, reúne los criterios y métodos de cálculo registrados en el Norma Ecuatoriano de la Construcción – NEC 2016, los mismos que son necesarios para determinar los diferentes diferentes tipos de carga y los efectos que se van a generar sobre las estructuras. Con esta información podremos determinar las dimensiones de los diferentes elementos estructurales que conforman la edificación. El diseño definitivo de cada elemento analizado, se presenta presenta en los los respectivos planos estructurales.
UBICACIÓN DEL PROYECTO La ubicación del Proyecto: Proyecto: FACULTAD CIENCIAS ADMINISTRATIVAS ADMINISTRATIVAS es la siguiente: siguiente: Dirección: Cdla. Universitaria vía San Mateo Cantón: Manta. Provincia: Manabí.
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DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ESTRUCTURAL Este proyecto está conformado por un bloque estructural de cuatro niveles, el mismo que está constituido por aulas, laboratorios y escaleras. Los parámetros básicos de diseño son los siguientes: La estructura está conformada por columnas, vigas de hormigón armado y nova losas, la cimentación está diseñada con zapata corrida. Para el diseño de la cimentación del proyecto, se ha considerado el esfuerzo del suelo qa = 16 T/m2, con un coeficiente de Balasto de 3190Tn/m3, según el estudio de suelos.
CARGAS DE DISEÑO CARGAS PERMANENTES (CARGA MUERTA) Las cargas permanentes están constituidas constituidas por los pesos de todos los elementos estructurales, tales como: muros, paredes, recubrimientos, instalaciones sanitarias, eléctricas, mecánicas, máquinas y todo artefacto integrado permanentemente a la estructura. Estos valores se ingresan en el modelo matemático creado en el Programa ETABS V16, para luego adicionarlo al peso propio de los elementos estructurales y hacer las combinaciones de carga que el NEC 2016 determina en el caso de elementos de hormigón armado. Vale aclarar que el programa calcula el peso de los elementos estructurales, y los demás son ingresados, los valores que se in gresan son los siguientes:
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Tabla 1. Peso de Acabados.
Elemento
Calculo
Carga (Tn/m²)
Masillado Acabado de Piso Paredes (estimado) Instalaciones Eléctricas (estimado) Instalaciones Sanitarias(estimado)
2.2Tn/m³(1m)(1m)(0.04m) 2.2Tn/m³(1m)(1m)(0.02m)
0.088 0.044 0.2 0.01 0.015
Peso Acabados
0.088+0.044+0.2+0.01+0.015
0.35
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SOBRECARGAS DE USO (CARGA VIVA) Las sobrecargas que se utilicen en el cálculo dependen de la ocupación a la que está destinada la edificación y están conformadas por los pesos de personas, muebles, equipos y accesorios móviles o temporales, mercadería en transición, y otras. Las sobrecargas a considerar de acuerdo al NEC 2015 son las siguientes: Tabla 2. Carga Viva.
Ocupación o Uso: Residencia
Carga Uniforme
Pasillo Aulas
0.48Tn/m² 0.2Tn/m²
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PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES Para el diseño de los diferentes elementos estructurales en hormigón armado, se consideraron las siguientes resistencias (NEC 2016): a) Hormigón para cimentaciones y nova losas – f´c f´c = 240 kg/cm². b) Módulo de Elasticidad del Hormigón =
15000√′ , se va a utilizar = 14100√′ de
acuerdo al Ing. Master Marcelo Guerra Avendaño, miembro del comité que elaboro la Norma Ecuatoriana de la Construcción. c) Acero para todos los elementos estructurales Fy = 253 0 kg/cm². d) Módulo de Elasticidad del Acero = 2100000kg/cm².
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DIMENSIONES DE LOS ELEMENTOS DE LA ESTRUCTURA En la Tabla 3 se presentan las dimenciones de columnas vigas yl osas que se van a emplear para el analisis y diseño estructural.
Vigas
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Columnas
Losas En el programa se ingresa las dimensiones de la nova losa.
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NORMATIVA SISMICA De acuerdo a la Norma Ecuatoriana de la Construccion (NEC), (NEC), el pais se encuentra encuentra categorizado en 6 zonas sismicas, sismicas, de acuerdo al mapa de riesgo sismico elaborado, la ciudad de Manta se encuentra ubicada en la Zona VI a la cual corresponde un valor de Z=0.5 según se puede apreciar en en la figura adjunta, constituyendose en la zona de mas alto riesgo sismico
Otros parametros que intervienen en el calculo de las fuerzas sismicas tienen directa relacion con las propiedades y consistencia del suelo y tienen que ver con la siguiente Tabla que relaciona el tipo de suelo con la velocidad de las ondas sismicas en una prueba de sismica de refraccion.
Para el caso que nos compete, el perfil del suelo esta considerado como un suelo con un tipo D correspondiente a suelos muy densos o roca blanda.
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Los factores de amplificacion de la onda sismica Fa, Fd y Fs tienen relacion con el tipo de suelo y con la zonificacion sismica del lugar en el que se encuentran y pueden ser estimados utilizando las siguientes tablas. Tipo de suelo y factor de sitio Fa. Fa. NEC Fa = 1.12
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Tipo de suelo y factor de sitio Fd. NEC Fd = 1.3
Tipo de suelo y factor de sitio Fs. NEC Fs = 1.65
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Espectro Elastico de Diseño. Para la preparacion del Espectro elastico de diseño como fraccion de la aceleracion de la gravedad Sa, se utiliza los factores de amplificacion indicados arriba, considerando una fraccion de amortigumiento con respecto al critico de 0.05, el factor de zona sismica Z y el Periodo T de la estructura empleando las siguientes relaciones: Sa = η Z Fa para 0 ≤ T ≤ Tc Sa = η Z Fa
(Tc/T) ʳ
para T > Tc
En nuestro caso tenemos: r = 1 para suelos tipo D η = 1.8 (Provincias de la Costa ( excepto Esmeraldas)) Con estos parametro se obtiene el espectro elastico que tiene la siguiente forma :
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ANALISIS ESTRUCTURAL DESCRIPCION DEL PROCESO DE ANALISIS ESTRUCTURAL. Para el análisis estructural del proyecto, se contempla un análisis riguroso, que permita evaluar si la capacidad de los elementos estructurales propuestos en el diseño son los adecuados para resistir las condiciones más desfavorables que pueden presentarse durante la vida útil de la estructura. Como efectos principales se ha considerado solicitaciones debidas a cargas verticales (permanentes y sobrecargas), así como también solicitaciones debidas a sismo (cargas laterales estáticas, análisis modal espectral y torsión en planta). El análisis y diseño estructural cumple con las especificaciones NEC 2016, American Concrete Institute ACI 318-14.
Análisis por Carga Vertical Con los requisitos y suposiciones establecidas en el NEC 2016 en lo que respecta a carga vertical, se modelan losas como elementos tipo membrana, para que la losa solo transfiera lasa cargas a la viga sin proporcionar rigidez a la estructura. Quedando modelado en forma eficiente la losa de la estructura.
Análisis Sísmico y de Torsión en Planta. Para este análisis, se siguen los requisitos establecidos en el NEC 2016, el mismo que presenta especificaciones mínimas de cálculo y procedimientos de diseño sismo resistente, para el cortante basal, cálculo de fuerzas horizontales, control de derivas de piso y otros efectos, tales como, deformaciones de segundo orden (efecto P delta) y análisis dinámico modal espectral espectral para el espectro inelástico. Cabe anotar que en el análisis aná lisis sísmico se consideran inercias agrietadas en los elementos estructurales de hormigón como lo especifica NEC 2016.
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Determinación del Cortante Basal
=
∗ ∗ ɸ ∗ ɸ
Dónde:
=
∗ ∗ ɸ ∗ ɸ
Los valores para determinar se presentan en la Tabla 5. Tabla 5. Valores para determinar el Coeficiente. Parametro I W
Descripción Factor de Importancia Carga Reactiva
Valor 1 100%CM+25%CV
Sa
Aceleración Espectral Elástica para diseño
1.008
R
Factor de Reducción de Respuesta Estructural
7
ɸp
Factor de Configuración Estructural Estructural en Planta
1
ɸe
Factor de Configuración Estructural Estructural en Elevación
1
Por lo tanto
=
1 ∗ 1.008 1.008 = 0.144 7 ∗1 ∗ 1
El valor 1 de la casilla Builiding Height Exp., K, es un coeficiente para la distribución de las fuerzas de sismos en los centros de masas de los pisos de la estructura.
ℎ = ∑( ℎ ) El coeficiente está relacionado con el periodo de vibración v ibración de la estructura, se evalúa de la siguiente manera:
Para valore de T ≤ 0.5 seg, k=1
Para valores 0.5 seg ≤ T ≤ 2.5 seg, k=0.75+0.50T
Para valores T > 2.5 seg, k=2
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El periodo de vibración de la estructura se lo puede calcular de manera aproximada con la siguiente expresión:
= ∗ ℎ ∝ Para pórticos espaciales de hormigón armado con muros estructurales o diagonales rigidizadoras y para otras estructuras basadas en muros estructurales y mampostería estructural Ct = 0.049 y α = 0.75 0. 75
= 0.049 ∗ 14.60 14.60. = 0.365 Debido a que el valor de T es menor que 0.5 el valor de k se puede seleccionar 1.
Al realizar la primera iteración en el programa se obtiene que el periodo del modo fundamental es de 0.567 seg, como se puede apreciar en la imagen que se presenta a continuación.
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El cortante Basal que dertmina el programa se lo encuentra en la opcion Auto Seismic – – User Coefficients.
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Determinación del Espectro de Diseño Las nuevas versiones del programa ETABS traen incorporado el capítulo de peligro sísmico de la NEC, por lo cual solo hay que ingresar los datos necesarios para que el Espectro de diseño diseño se genere, lo cual se lo muestra en la siguiente figura.
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ANALISIS DE LOS RESULTADOS DEL CÁLCULO ESTRUCTURAL. CONTROL DE DERIVAS DE PISO MAXIMAS EN PORTICOS X y Y . El control de las derivas de piso se la realiza para controlar el daño que se puede producir en una estructura por desplazamientos excesivos. En la figura de la parte inferior se muestra la maxima deriva devida al sismo. El valor es Drift=0.001573 se lo remplaza en la siguiente ecuacion para obtener la deriva inelastica que tiene que ser menor que el 2%.
∆ne. = 0.75 0.75 ∗ R ∗ Dr Driift De la ecuacion anterior se obtiene: Δ=0.75*7*0.001573*100=0.83%, Δ=0.75*7*0.001573*100=0.83%, por lo tanto cumple con la exigencia del codigo.
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CONTROL DE PERIODOS DE VIBRACIÓN. Se recomienda analizar los dos primeros modos de vibración, ya que en estos dos modos se verificará que mas del 70% de la masa participa en correspondiente dirección predominante con una rotacion menor e igual del 12%,es decir se verifica que la estructura tenga un movimiento traslacional y por ningún motivo torsión, de esta manera se evita la llamada torsion en planta que puede llevar al colapso del edificio durante un sismo.
En la tabla de la parte inferior se muestra la el modo, periodo yla participacion de las masas en la misma. Case
Mode
Modal
1
Modal
Period
UX %
UY %
RZ %
0,567
0,04
87,55
0,001324
2
0,566
88,26
0,04
0,16
Modal
3
0,453
0,15
0,000864
88,03
Modal
4
0,215
0
9,23
0,0002744
Modal
5
0,203
8,76
0
0,01
Modal
6
0,166
0,01
0,0002276
8,77
Modal
7
0,137
0
2,64
0,0002137
Modal
8
0,119
2,33
0
0,01
Modal
9
0,102
0,0002974
0,52
0,07
Modal
10
0,101
0,01
0,01
2,47
Modal
11
0,08
0,42
0
0,004074
Modal
12
0,071
0,003505
0
0,48
sec
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En la Tabla anterior se puede observar que la estructura cumple con los requisitos para que se produsca traslacion en X y Y en los dos primeros modos, evitando asi los problemas de tosion en planta.
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