04 Diseño Calculo Edificio

2013 ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL APLICACIONES COMPUTACIONALES EN ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS

HENRY XAVIER ALEJANDRO CABRERA

[INFORME 4_MODELACIÓN DE UN EDIFICIO] EDIFICIO] MODELACION ESTRUCTURAL DE UN EDIFICIO, COMPONENTES Y COMPARACIONES CON DIFERENTES METODOS DE MODELOS ESTRUCTURALES.

ESCUELA POLITECNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL APLICACIONES COMPUTACIONALES EN ESTRUCTURAS

CONTENIDO MODELACIÓN ESTRUCTURAL EDIFICIO VIGAS, COLUMNAS, MUROS Y DIAFRAGMAS. Página 1.

INTRODUCCION ........................................................................................................................................ 3

2.

OBJETIVOS ................................................................................................................................................. 4

3.

MODELACION ............................................................................................................................................ 4 3.1

DESCRIPCION GENERAL .................................................................................................................. 4

3.2

PLANOS .............................................................................................................................................. 4

3.3

MATERIALES ..................................................................................................................................... 4

3.4

SECCIONES DE VIGAS Y COLUMNAS .............................................................................................. 5

i)

SECCIÓN C 40x20 y C20x40 ......................................................................................................... 5

ii) SECCIÓN C50x40 y C40x50 ............................................................................................................. 6 iii) SECCIÓN C50x60............................................................................................................................... 6 iv) SECCIÓN C60x60............................................................................................................................... 6 v) SECCIÓN V35x50 .............................................................................................................................. 7 vi) SECCIÓN V30x30 .............................................................................................................................. 7 vii)

ÁREA 1 M20 ................................................................................................................................... 8

3.5

APOYOS .............................................................................................................................................. 8

3.6

CARGAS .............................................................................................................................................. 9

3.6.1 CARGA VIVA, CARGA MUERTA ................................................................................................... 9 4.

CARGA SISMICA UBC94 ......................................................................................................................... 1 1 4.1

5.

RESULTADOS .................................................................................................................................. 13

CARGA SISMICA CEC2001 ..................................................................................................................... 13 5.1

RESULTADOS .................................................................................................................................. 14

6.

CONCLUSIONES ....................................................................................................................................... 19

7.

RECOMENDACIONES .............................................................................................................................. 19


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1. INTRODUCCION (SAP2000) SOFTWARE INTEGRATED FOR STRUCTURAL ANALYSIS & DESIGN SAP2000 es un programa desarrollado por la empresa CSI, Computer and Structures, Inc. En Berkeley, California, EEUU. Desde hace más de 30 años ha estado en continuo desarrollo, para brindarle al ingeniero una herramienta confiable, sofisticada y fácil de usar sobre la base de una poderosa e intuitiva interfaz gráfica con procedimientos de modelaje, análisis y diseño estructural a la vanguardia a nivel mundial. En relación a la creación de modelos cuenta con una serie de plantillas predeterminadas que permiten generar la geometría de los mismos de forma rápida y eficiente. Por otra parte, maneja un sistema espacial de líneas de referencia (GridLines) asociadas a un determinado sistema de coordenadas (cartesiano o cilíndrico), que sirven de guía para establecer cada uno de lo elementos que conforman el modelo. Determina a través del método de elementos finitos la respuesta en términos de fuerzas, esfuerzos y deformadas en los elementos de área y sólidos, presentando una salida gráfica y por tablas, haciéndolo la herramienta predilecta para ingenieros estructurales dedicados a la investigación, desarrollo de proyectos y construcción. Posee un poderoso diseño en acero, concreto y aluminio completamente integrado, todos disponibles desde la misma interfaz usada para modelar y analizar el modelo. El diseño de miembros de acero y aluminio permite el predimensionado inicial y una optimización interactiva, y el diseño de elementos de concreto incluye el cálculo de la cantidad de acero de refuerzo requerido, considerando incluso un nivel de diseño sismorresistente. El diseño en general, se realiza a través de la aplicación códigos internacionales actualizados.

Fig. 1: VISTA MODELO DEL EDIFICIO SAP2000


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2. OBJETIVOS -

Realizar una modelación estructural de un Edificio de 7 pisos y un subsuelo, de elementos de hormigón armado utilizando el software SAP2000. Conocer métodos de modelación estructural de los elementos para obtener resultados confiables. Aplicar la carga sísmica calculada mediante CEC 2001, al centro de masa de cada planta del edificio, coordenada que será calculada mediante el AUTOCAD. Determinar las derivas de piso generadas por las cargas sísmicas y compararlas con las derivas admisibles de la norma. Determinar los esfuerzos requeridos de los elementos estructurales y reforzar la estructura en caso de ser necesario.

3. MODELACION 3.1 DESCRIPCION GENERAL La estructura a modelar es un edificio de 7 plantas destinadas a uso residencial, y un subsuelo utilizado como parqueadero. El área de cada planta es de 266.37 m2, altura de entrepiso de 3.00 m. El área de la planta de subsuelo será de 472.35 m2. Los elementos estructurales son principalmente columnas y vigas de hormigón armado. Se diseñará muros de 20cm de espesor en la planta de subsuelo, con una altura de entrepiso de 2.80m Tiene además, muros de corte o llamados diagramas, que sirven para dar servicio al ascensor, dichos muros absorberán gran parte de la fuerza cortante debida al sismo. Se realizará una modelación de la estructura empotrada a un piso rígido, y otra, tomando en cuenta la cimentación y la capacidad portante del suelo, mediante el uso de la herramienta de resortes que simularan la deformabilidad del suelo. Las cargas serán aplicadas directamente a las vigas por el método de los trapecios, para esto, se tomará en cuenta el área de losa que aporta a cada viga adyacente a esta. La carga sísmica se modelará mediante modificaciones al código UBC94 del SAP2000, para aproximarlo al CEC2001. Después, se realizará un cálculo de cargas mediante la norma, y se las aplicará en cada planta para comparar los resultados generados. Se verificara que las derivas de piso estén dentro de los límites permisibles, esto es menor al 2%. 3.2 PLANOS Los planos estructurales constan en el ANEXO. 3.3 MATERIALES HORMIGÓN DE fy=240 kg/cm2.-. Se definirá como material al concreto de: E= 13500*raíz(f´c)*10 = 2091411 t/m2 Densidad= 2.4 t/m3 fy= 2400 t/m2 HENRY XAVIER ALEJANDRO CABRERA

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3.4 SECCIONES DE VIGAS Y COLUMNAS Las secciones a utilizarse para elementos vigas y columnas se detallan en el siguiente gráfico:

La identificación de cada elemento columna da también la información sobre la posición de los ejes de cada elemento. i) SECCIÓN C 40x20 y C20x40 Secciones utilizadas en las columnas periféricas o de borde en muros de planta de subsuelo, se utilizará dos denominaciones para la misma sección ya que esta columna está orientada en sentido X y Y del muro perimetral, y al momento de realizar el análisis de resultados es mucho más cómodo visualizar los esfuerzos de dos secciones con ejes diferentes, a utilizar una sola sección y cambiarla de ejes al momento de visualizar resultados. Sección de hormigón fy=240 kg/cm2. Columnas: A1, A2, A3, A4, A5, B1, B5, C1, C5, D1, D5, E1, E5, F1, F2, F3, F4, F5 Define >> Section Properties >> Frame Section >> Add New Property >> Concrete HENRY XAVIER ALEJANDRO CABRERA

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ii) SECCIÓN C50x40 y C40x50 Sección asignada a las columnas de esquina de la estructura que se eleva en los 7 pisos y a las columnas laterales centrales. Se la definirá con hormigón de fy=240 kg/cm2, y se le asignará un color característico para identificarla. Columnas: B2, B3, B4, E2, E3, E4 Define >> Section Properties >> Frame Section >> Add New Property >> Concrete

iii) SECCIÓN C50x60 Sección de columna que se les asignará a las columnas laterales centrales, que se levantan los 7 pisos, definida con hormigón de fy=240 kg/cm2, y se le asignará un color característico para identificarla. Columnas: C2, C4, D2, D4 Define >> Section Properties >> Frame Section >> Add New Property >> Concrete

iv) SECCIÓN C60x60 Sección de columna asignada a las 2 columnas centrales, que soportarán grandes esfuerzos, definida con hormigón de fy=240 kg/cm2, y se le asignará un color característico para identificarla. Columnas: C3, D3 Define >> Section Properties >> Frame Section >> Add New Property >> Concrete


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v) SECCIÓN V35x50 Sección de viga definida con hormigón de fy=240 kg/cm2, asignada en toda la losa de cada planta. Se le asignará un color característico para identificarla. Define >> Section Properties >> Frame Section >> Add New Property >> Concrete

vi) SECCIÓN V30x30 Sección de viga definida con hormigón de fy=240 kg/cm2, asignada en el muro perimetral de la planta de subsuelo. Se le asignará un color característico para identificarla. Define >> Section Properties >> Frame Section >> Add New Property >> Concrete


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vii) ÁREA 1 M20 Sección Área asignada al muro perimetral de la planta baja, muro de gradas y ascensor, y gradas, de Hormigón de fy=240 kg/cm2, tipo SHELL THIN. Se realizará una extrucción para visualizar mejor a los elementos, además se le asignará un nombre y color característico. Define >> Section Properties >> Area Section >> Add New Section (shell)

3.5 APOYOS Cada elemento estructural de la planta baja se le asignará apoyos de tipo EMPOTRAMIENTO. También se asignará EMPOTRAMIENTO, a las partes donde existirá la unión de las cadenas con el muro. Las demás conexiones del muros que previamente será subdivido en áreas serán con apoyos tipo APOYO SIMPLE.


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3.6 CARGAS Se definirán como patrones de carga a: Carga Viva, Carga Muerta, Sismo X, Sismo Y. 3.6.1 CARGA VIVA, CARGA MUERTA Las cargas se aplicaran a las vigas, según la aportación del área de losa que estas soporten, mediante el método de los trapecios. i) CARGA MUERTA: 750 ii) CARGA VIVA: 250


kg/cm2 kg/cm2

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DISTRIBUCIÓN DE CARGAS EN PLANTA BAJA


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DISTRIBUCIÓN DE CARGAS DESDE 1RA PLANTA ALTA HASTA 7MA PLANTA ALTA

4. CARGA SISMICA UBC94 Se definirán patrones de carga a Carga muerta, viva, Sx y Sy, con las normas UBC94 que son las que más se asemejan a las del CEC 2001.


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Se modificará el periodo de los patrones de carga Sx y Sy, como lo estipula el CEC 2001: T1=Ct.hn3/4 T1= 0,06 (21)0,75 T1=0,59 [seg] T2=1,30 . T1 T2=0,77

Realizamos la corrección del factor de importancia (I), ya que existe una variación entre el código UBC94 utilizado por el programa y el valor obtenido por el CEC2001. CEC2001 

        

UBC94 

 

               

        

  

Revisar las coordenadas del centro de gravedad de la losa inferior y de los entrepisos tomando en cuenta los agujeros del ascensor y gradas, en Autocad aplicando REGION, MASSPROP. Determinar CG, Ix, Iy, de cada piso. Esto servirá para concentrar la masa de toda la losa en el centro de gravedad, además dar momentos rotacionales con la ecuación: M=(m/g)A (momento =masa/gravedad*Area) ( M=(0.7/9.81)*A. estos valores se ingresan al SAP en: Generar el punto cg en la respectiva losa>marcarlo Assign>joint>masses Local1 y 2 axis direction= area*.75/9.81 Rotation about local 3 = Io*.75/9.81 (siendo Io=Ix+Iy) Esta operación se replicará a todos los pisos faltantes, además seleccionando las losas se añadirá un constraint tipo diafragma en assign, joint , constraint.

Se modifica la carga sísmica, el factor Z, el valor I comparándolo con el UBC y el CEC2001 HENRY XAVIER ALEJANDRO CABRERA

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Los datos obtenidos en el AutoCAD, que d deberán colocarse en las celdas correspondientes son los siguientes:

4.1 RESULTADOS SAP no considera las cargas de sismo desde el primer piso, esto se visualiza realizando un corte en el primer piso y se visualizan valores de cortante muy diferentes calculados con el código CEC2001, por lo tanto en sx y sx se lo modifica no con UBC94 sino con user load, se asigna las cargas calculadas con el código a cada piso en su centro de gravedad piso por piso.

5. CARGA SISMICA CEC2001 FUERZAS LATERALES EN EL EDIFICIO DE 7 PISOS Y 1 SUBSUELO Z=

0.4

I=

1

S=

1.2

R=

12

fp=

1

fe=

1

h=

21 m

T=

0.589 seg

Tc<=1.3T=

0.765 seg

C=

2.033

Coef Sism= Z*I*C/(R*fp*fe)

V=

0.06777

Coef Sism*Wi=

V SAP=

ÁREA 266.3718 7.44 9.7125 6.33

121.51147

149.74

W

PESO 0.75

199.77885

2.4

17.856

2.4

23.31

2.4

15.192 256.13685

IUBC=(S^(S-1))/(fp*fe*Tc^(1/3))

1.13392211

Coef Sis SAP=

0.06721735

W SAP= HENRY XAVIER ALEJANDRO CABRERA

2227.6985

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ESCUELA POLITECNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL APLICACIONES COMPUTACIONALES EN ESTRUCTURAS 150.974497

PISO 7 6 5 4 3 2 1 0 SUBSUELO

h

Wi

Wi*hi

Fi

21

256.13685

5378.87385

30.37786814

18

256.13685

4610.4633

26.03817269

15

256.13685

3842.05275

21.69847725

12

256.13685

3073.6422

17.3587818

9

256.13685

2305.23165

13.01908635

6

256.13685

1536.8211

8.679390898

3

256.13685

768.41055

4.339695449

1792.95795

21515.4954

121.5114726

0 -2.8

5.1 RESULTADOS Una vez ingresadas las cargas laterales calculadas mediante el código CEC2001, se procede a correr el modelo, y se realiza un corte del primer piso para comprobar los cortes calculados:

Los resultados muestran q el corte calculado se lo toma en cuenta desde el primer piso. Por lo tanto los resultados del modelo son confiables. Y se obtiene lo siguiente:


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CONTROL DE DERIVAS: MENOR AL 2%: ∆max=∆elastico*R ∆max<0.02 ∆e=∆max/R

∆e=∆max/12= 0.00167

TABLE: Joint Displacements Joint

OutputCase

CaseType

U1

U2

U3

Text

Text

Text

m

m

m

DERIVA

PISO

17

SX

LinStatic

0.00008

0.000004511

-0.000061

PB

53

SX

LinStatic

0

0

0

2.6667E-05 PB

208

SX

LinStatic

0.001585

0.000398

-0.000127

5.2833E-04 1P

230

SX

LinStatic

0.003782

0.001058

-0.000183

7.3233E-04 2P

246

SX

LinStatic

0.006205

0.001793

-0.000228

8.0767E-04 3P

262

SX

LinStatic

0.008592

0.002493

-0.000263

7.9567E-04 4P

278

SX

LinStatic

0.010774

0.003097

-0.000286

7.2733E-04 5P

294

SX

LinStatic

0.012661

0.003578

-0.000301

6.2900E-04 6P

497

SX

LinStatic

0.014234

0.003956

-0.000306

5.2433E-04 TERR

17

SY

LinStatic

8.93E-07

0.000101

0.000116

PB

53

SY

LinStatic

0

0

0

3.36667E-05 PB

208

SY

LinStatic

0.000099

0.001907

0.000237

0.000602 1P

230

SY

LinStatic

0.00025

0.004612

0.000344

0.000901667 2P

246

SY

LinStatic

0.000414

0.007716

0.000433

0.001034667 3P

262

SY

LinStatic

0.000562

0.010922

0.000503

0.001068667 4P

278

SY

LinStatic

0.00068

0.014013

0.000552

0.001030333 5P

294

SY

LinStatic

0.000763

0.016867

0.000583

0.000951333 6P

497

SY

LinStatic

0.000816

0.019429

0.000595


DERIVA MAX

PERMITIDA

REVISIÓN

8.0767E-04

0.001667

OK

1.0687E-03

0.001667

OK

0.000854 TERR

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DESPLAZAMIENTOS DERIVAS DEL ORDEN DE 1.42 cm CON SX:

DESPLAZAMIENTOS DERIVAS DEL ORDEN DE 1.09 cm CON SY:


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FUERZAS LATERALES EN MUROS DE CORTE (DIAFRAGMAS)

Se puede observar que los muros de corte absorben una fuerza lateral de 104.91 T.

DISEÑO CAMBIAR EL CODIGO ACI318-99

Para un buen diseño de los elementos de hormigón debe cambiarse el código a utilizarse y se debe colocar el CÓDIGO ACI 38-99.


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DISEÑO EN HORMIGON ARMADO


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6. CONCLUSIONES -

-

-

-

-

La forma de cajón de la planta de subsuelo, es de gran importancia para la estructura ya que actúa como un empotramiento del edificio, por lo tanto el corte crítico se dará en el primer piso, desde donde se realizará el cálculo de las fuerzas laterales causadas por sismo. En este caso se toma al suelo como un cuerpo indeformable, las columnas que están empotradas en este no sufrirán desplazamiento alguno. por lo tanto el modelo del suelo no es tan cercano a la realidad, por lo que se debe dar un trato especial al modelo de la cimentación. Los muros de corte (Diafragmas) absorben gran parte de las fuerzas laterales, por lo tanto el uso de diafragma en edificaciones hace estructuras menos vulnerables a los sismos.

Los Diafragmas absorbieron una fuerza lateral de 104.91 T que corresponden al 85% de la fuerza lateral aplicada. Las derivas de piso están en rangos menores a los permisibles. Esto es: Para Sx  8.0767E-04< 0.00167 Para Sy  1.0687E-03< 0.00167 Es importante considerar los factores de sismo del código CEC2011 y modificarlos para trabajar con normas UBC del software. Los resultados más confiables se generaron al cargar las cargas calculadas mediante el código CEC2001 a los centros de masa de cada losa del edificio. La repartición de carga de losa a las vigas según el área de aporte por el método de los trapecios da una muy buena distribución de la carga a todos los elementos que conforman la estructura.

7. RECOMENDACIONES -

Se recomienda dividir los muros en áreas para tener mejores resultados, más aproximados a la realidad. Es recomendable el usar la repartición de cargas a las vigas, y no aplicar las cargas a la losa directamente, ya que el programa SAP2000 no da buenos resultados aplicando este método. Se debe tomar aplicar en cada piso un diafragma rígido para la correcta modelación del edificio. Se recomienda tomar en cuenta el código de diseño a usarse para los elementos, es necesario utilizar el CÓDIGO ACI 318-99. Se recomienda colocar las cargas laterales directamente por el usuario (user loads), las mismas que nos proporcionan resultados muy buenos, y más aproximados a la realidad.


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04 Diseño Calculo Edificio

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