Analisis Sismico Estático de Un Edificio de Concreto de 4 Pisos

UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS

CURSO: INGENIERÍA SISMO-RESISTENTE

Profesor :

Ph. D. Genner Villarreal Castro

Integrantes: ALARCÓN LLAJA THOMAS CASTILLO LUICHO GIANCARLO PACHECO PACHECO CARLA



Trabajo: Análisis Sísmico Estático de Edificio Aporticado Monterrico 17de Septiembre Septiembre del 2013 2013 –II

ÍNDICE

I. II. III. IV. V. VI.

INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………3 CARACTERISTICAS DEL EDIFICIO………………………………………………..4 PREDIMENSIONAMIENTO…………………………………………………………7 METRADO DE CARGAS……………………………………………………………..13 IRREGULARIDADES…………………………………………………………………..15 ANÁLISIS ESTATICO (NORMA E030) E030)………………………………………… 19 Fuerza Cortante en la base Distribución de las Fuerzas Sísmicas por piso Excentricidad Accidental VII. MODELACION EN EL SOFTWARE “SAP 2000 V15”. ………………… 25 VIII. INNOVACIONES……………………………………………………………………….26 IX. CONCLUSIONES………………………………………………………………………40   

Ph.D. Genner Villarreal Castro Castro

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ÍNDICE

I. II. III. IV. V. VI.

INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………3 CARACTERISTICAS DEL EDIFICIO………………………………………………..4 PREDIMENSIONAMIENTO…………………………………………………………7 METRADO DE CARGAS……………………………………………………………..13 IRREGULARIDADES…………………………………………………………………..15 ANÁLISIS ESTATICO (NORMA E030) E030)………………………………………… 19 Fuerza Cortante en la base Distribución de las Fuerzas Sísmicas por piso Excentricidad Accidental VII. MODELACION EN EL SOFTWARE “SAP 2000 V15”. ………………… 25 VIII. INNOVACIONES……………………………………………………………………….26 IX. CONCLUSIONES………………………………………………………………………40   


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INTRODUCCIÓN

El presente trabajo de investigación tiene como fin el modelamiento estático de una estructura aporticada de 5 pisos de concreto armado y zapatas aisladas, basado en la norma peruana E-030 Diseño Sismo Resistente, utilizando el software SAP 2000 V15. A su vez, se busca mejorar el comportamiento de la estructura cambiando las dimensiones de las columnas, f´c, incorporando sistemas de arriostres, entre otros, los cuales resultaron bastante favorables en los resultados de la modelación, disminuyendo

los desplazamientos laterales debido al

sismo.

El

trabajo realizado ha permitido ampliar los conocimientos y la

importancia de analizar el comportamiento de una estructura sometida a fuerzas sísmicas en sus dos direcciones X e Y, Y , y de esta es ta manera man era generar innovaciones y poder solucionar problemas de ingeniería estructural sismo -resistente.


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CARACTERISTICAS DEL EDIFICIO 

El edificio a analizar es un sistema estructural de concreto armada con zapatas aisladas, dicha estructura tiene 5 pisos.



Uso : Uso : Vivienda



Número de pisos :5 pisos :5



Tipo: Aporticado Tipo: Aporticado



Tipo de Losa: Maciza Losa: Maciza



Ubicación: San Ubicación: San Isidro – Lima (ZONA)



Diafragma Horizontal :



f’c:

210 Kg/cm2

fy:

4200 kg/cm2





Características del suelo de fundación:



Tipo de Suelo:



DETALLE DE PLANTA TIPICA A:



L1 =

Alarcón= 6m



L2 =

Llaja



L3 =

Thomas =6m

Suelo Rígido

=5m


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La categoria, de acuerdo ala siguiente tabla , sería el de edificaciones comunes “categoria C ”. El Factor U sería 1.





Ph.D. Genner Villarreal Castro

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

PLANTA TÍPICA:

A continuación, se presenta la vista en planta de la edificación.

VISTA DE PERFIL:


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PREDIMENSIONAMIENTO 

LOSA MACIZA: Para el predimensionamiento de losas macizas se debe tener en cuenta el calculo que se realiza para una losa aligerada : ealigerado = Ln/25   

H=Ln/25 H=500/25 = 20 cm.

Espesormaciza = 20cm-5cm =15cm



PREDIMENSIONAMIENTO DE VIGAS: Vigas Transversales: H=L/10 b=h/2 b mín= 25 cms DONDE: H:peralte de la viga L=Luz entre eje de columnas B=base de la viga H=500/10=50cm. B=h/2 B=50/2 Por la tanto b=25cm.

Vigas Longitudinales: H=L/10 b=h/2


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b mín= 25 cms H=600/10=60 cm B=h/2 B=60/2 Por la tanto b=30cm El cuadro de resumen, en ambas direcciones X-X e Y-Y se muestra a continuación:

VIGAS X-X

Longitud(cm) h(cm) b(cm)

500 50 25

VIGAS Y-Y



Longitud(cm)

600

h(cm)

60

b(cm)

30

PRESIONAMIENTO DE COLUMNAS: Datos: COLUMNAS #pisos Pservicio(kg/m2) f'c

5

1000 210

Vista en planta típica: Con la vista en planta se puede determinar las áreas tributarias que tendrá cada columna.


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A continuación se procede a calcular la Inercia de la viga para luego compararlo con la inercia de la columna en respectivo eje y así evitar el efecto de “Rótula Plástica” en la conexión columna-viga: Para la luz de 5m:  

= 260416.667 Cm4

Para la luz de 6m:    

 

En resumen:


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

PREDIMENSIONAMIENTO DE ZAPATAS:

Luego de realizar los metrados de las columnas columna, se procede a realizar el pre dimensionamiento de las zapatas, para lo cual consideraremos una capacidad portante del suelo (qu) equivalente a 4kg/cm 2, indicado por la norma.

El área tributaria de la zapata: Esquinera: Área tributaria 2.5m* 3m =7.5m2 Excéntrica: Área tributaria 5m* 3m =15m2 Centrada: Área tributaria 5m* 6m =30m2

Para hallar el “P de servicio”

P servicio (kg) PARA LA ESQUINERA=        P servicio (kg) PARA LA EXCÉNTRICA=        P servicio (kg) PARA LA CENTRADA=        Se puede resumir los cálculos en el siguiente cuadro:


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VERIFICACIÓN DE PUNZONAMIENTO: Datos:

Para verificar el punzonamiento, se halla el perímetro de punzonamiento, el cual se estima como la dimensión de la columna más d/2; luego se halla la cortante de punzonamiento (Vc), la cual se determina como la menor de las siguientes fórmulas proporcionadas por el ACI:

Finalmente, se halla la cortante actuante, multiplicando la carga distribuida por el área efectiva, la que resulta de la resta del área total de la zapata y el área de punzonamiento. A continuación, se detalla los resultados en la siguiente tabla:


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Entonces, se puede concluir que las dimensiones de las zapatas cumplan por punzonamiento. El dimensionamiento Final de las Zapatas sería:


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METRADO DE CARGAS DE SISMO

Para el metrado por sismo, se debe tener las siguientes consideraciones, la cual para el peso de la edificacion se tomará el 25% de la carga viva.

Consideraciones: Peso unitario Altura de entrepiso Profundidad de desplante Sobrecarga ( Azotea) Sobrecarga (Vivienda)

2.4 ton/m3 3.3 m 1 m 0.1 ton/m2 0.2 ton/m2

Metrado quinto piso: 5° piso CM Losa Maciza Columnas Vigas transversales Vigas longitudinales Suma Parcial CV S/C (azotea) P total

103.0032 26.6112 11.214 14.5152 155.3436

ton ton ton ton ton

7.153 ton 162.4966 ton


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Metrado Cuarto Tercero y segundo piso:

4°, 3° y 2° piso CM Losa Maciza Columnas Vigas transversales Vigas longitudinales

103.0032 26.6112 11.214 14.5152 155.3436

CV S/C (azotea) P total

ton ton ton ton ton

14.306 ton 169.6496 ton

Metrado Primer Piso: 1° piso CM Losa Maciza Columnas Vigas transversales Vigas longitudinales

103.0032 35.0592 11.214 14.5152 163.7916

ton ton ton ton ton

CV S/C (azotea)

P total Peso total edificación

14.306 ton

178.0976 ton 849.543 ton


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IRREGULARIDADES:  

Irregularidades de altura Irregularidades de Planta

IRREGULARIDADES DE PLANTA: Irregularidades de Rigidez – Piso blando: Las secciones en el presente trabajo de los elementos verticales son iguales o constantes en todos los pisos, es decir no existe ningún problema con este tipo de irregularidad.


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Irregularidades de Masa:

En el sigueinte cuadro s epuede observar que en ninguno de los pisos adyacentes excede el 150%

Irregularidad Geometría Vertical: La estructura aporticada tiene dimensiones típicas en todas las plantas en cada uno de los 5 pisos, por lo cual las cargas laterales actuarán de la misma manera en todos ellos.


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Discontinuidad de los sistemas resistentes


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Esquinas Entrantes: La estructura es simétrica, la edificación no posee esquinas entrantes, es decir no cumple con este tipo de irregularidad.

Discontinuidad del Diafragma:


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ANALISIS SISMICO ESTÁTICO

Periodo fundamental (X e Y) Periodo fundamental:

T

hn 

C T Donde:

T: Periodo

fundamental de la

edificación (seg.) hn:

Altura de la

CT: Coeficiente



Hn = 3.3 x 5 = 16.5 m



Ct = 45


edifiación hasta el nivel 0.00 (m,) dependiente del sistema estructural

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Factor de Amplificación Sísmica (C)   

 

 

Luego se procede a comprobar : 

C/R>0.125    





 

    SI CUMPLE

FUERZA CORTANTE EN LA BASE( V) 

 



V: Fuerza

cortante en la base. Z: Zóna sísmica del proyecto:

Zona 3: Zona 2: Zona 3: U: Uso de la edificación: Para viviendas U=1 S: Tipo de suelo: Suelo rígido: Suelo intermedio: Suelo flexible: C: Coeficiente

Z=0.4 Z=0.3 Z=0.15 S=1 S=1.2 S=1.4

de amplificación del sistema:

Sabemos que P SÍSMICO DE LA EDIFICACIÓN ES: Psismico edificacion = 849.543 ton


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En el factor de zona, se tiene que tener en cuenta que la edificación se encuentra en el departamento de Lima, según la imagen que se muestra en la parte inferior se considera zona 3 .Local le corresponde un factor Z de 0.4.

A continuación se sabe que Lima está considerado como zona 3:

Factor por Zona Sísmica (z):


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El U según la categoría C , Edificación común , el U=1

Factor por Uso e importancia de la edificación: Categoría de la edificación: C

Factor por el tipo de Suelo: Tipo de suelo: Rígido

Factor de reducción de solicitaciones Sísmicas (R):


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FUERZA CORTANTE EN LA B ASE (EJE X-Y) Z= U= S= C= R= P=

0.4 1 1 2.12 8 849.543

 

() 

     ∑   

         

 

FUERZA SISMICA POR LA ALTURA (EJE X-Y) A continuación con la siguiente fórmula, se hallara la Fuerza cortante para cada piso:





  

∑   



En la siguiente imagen se puede apreciar las alturas acumuladas para cada piso :


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PISO1 PISO2 PISO3 PISO4 PISO5

Pesos por piso ( Pi) (ton) 178.0976 169.6496 169.6496 169.6496 162.4966

Altura acum (hi ) (m) 3.3 6.6 9.9 13.2 16.5 Suma Total

PiHi 587.72 1119.69 1679.53 2239.37 2681.19 8307.51

Fi 6.37 12.14 18.22 24.29 29.08 90.10

EXCENTRICIDAD ACCIDENTAL: Con las siguientes fórmulas, se halla la excentricidad accidental tanto en “X” e “ Y ”

RESULTADOS ex(m) 0.7775 ey(m) 0.92


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Resultados DEL SAP:

Cargas Máximas:


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ANALISIS DE DERIVAS ( RESULTADOS DEL SAP 2000) En este análisis se verifica que algunas de las derivas no cumplen con el máximo desplazamiento relativo de entrepiso , que se muestra en la tabla a continuación.

INNOVACIONES CUADRO DE INNOVACIONES 1 Aumentar f'c a 350 (No Cumple) 2 Aumentar a f'c a 420(No Cumple) 3 4 5 6 7 8 9

Primer y segundo piso con f`c= 420; 3,4 y5 con f`c = 280 (No Cumple) Primero y segundo conf`c= 490, 3, 4,5 f`c= 350 (No Cumple) Columnas centrales 70cmx70cm + f'c =420(si cumple) Columnas centrales 60cmx60cm + f'c =420(no cumple) Columnas centrales 65x65+f'c 420(si cumple) Arriostre diagonal (Si cumple) Arriotre en cruz( si cumple) Arriostre diagonal en la parte central (todos los pisos), balasto de 8000 10 ton/m3 (Si cumple) Arrostres en cruz en la parte central(todos los pisos),con balasto de 11 8000tn/m3


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Innovaciòn 1: Se aumentò el f’c a 350, pero sin embargo algunos no cumplieron con el desplazamiento

mínimo.

Innovaciòn 2: Se aumentò el f’c a 420, pero sin embargo algunos no cumplieron con el desplazamiento mínimo.


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Innovaciòn 3: En este caso en el piso 1 y 2 se incrementó el f`c piso 3 , 4 , 5 igual 280

Piso 1

f'c = 420

Piso 2

f'c = 420

Piso 3

f'c = 280

Piso 4

f'c = 280

Piso 5

f'c = 280

Innovación 4: En este caso en el piso 1 y piso 2 el f`c fue de 490 kg/cm2 y ene l piso 3, 4 y 5 el f`c se redujo a 350 kg/cm 2 Piso 1

f'c = 490

Piso 2

f'c = 490

Piso 3

f'c = 350

Piso 4

f'c = 350

Piso 5

f'c = 350


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Innovación 5: En este caso se aumentó las columnas centrales a 70cm a 70cm en todos los pisos , por consecuente cambia el metrado , y asimismo las fuerzas interiores. METRADO:


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Como vemos cambió el metrado por las columnas centrales de 70cm*70cm

Control de derivas: Como nuestra estructura es de sistema aporticado y de concreto armado nuestro desplazamiento lateral admisible es 0.007, por lo cual nuestras derivas tienen que salir menor a éstas.


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Innovación 6: En este caso se aumentó las columnas centrales a 60cm a 60cm en todos los pisos , por consecuente cambia el metrado , y asimismo las fuerzas interiores. METRADO:


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Fuerza Cortante en la base:

CONTROL DE DERIVAS:

Innovación 7: En este caso se aumentó las columnas centrales a 65cm a 65cm y , por consecuente cambia el metrado, y asimismo las fuerzas interiores. Como se cambió las columnas centrales a 65cm x 65cm, cambió el metrado, se puede reflejar en la siguiente tabla.


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Como cambió el metrado, también la fuerza cortante y las fuerzas sísmicas de cada piso, como se puede reflejar en los siguientes cuadros:

CONTROL DE DERIVAS: Como se puede reflejar en la siguiente imagen las derivas si cumplieron con el desplazamiento lateral máximo.


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Innovación 8: Introducir arriostres en forma diagonal como se esquematiza en la siguiente imagen, para disminuir los desplazamientos laterales. Estos arriostres de acero cuyo peso específico es de 7.2 T/m3 en forma diagonal ”; ésta incrementará la rigidez de la estructura. Como se aprecia en la siguiente imagen, los arriostres fueron colocados en las partes central centrales del edificio aporticado en todos los pisos. ARRIOSTRES CENTRALES DIAGONALES

El metrado, se verá afectado por la incorporación de arriostres diagonal, a continuación se muestra dicho metrado:


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Como cambió el peso de cada piso y el peso dela edificación, por consecuente cambia la fuerza cortante y las fuerzas sísmicas.


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CONTROL DE DERIVAS: En este caso incorporando los arriostres en diagonal si cumple el control de desplazmientos.

Innovaciòn 9: En este se incorporará arriostres en forma de “x” en todos los pisos, y en la parte central

como se aprecia en la siguiente imagen: Se incorporarán arriostres de acero cuyo peso específico es de 7.2 T/m3 en forma de “X”; ésta incrementará la rigidez de la estructura en casi 10 veces más..

ARRIOSTRES CENTRALES EN FORMA DE “X”


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Con el Nuevo metrado se procede a calcular la fuerza cortante en la base.


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Para el Control de derivas en ambas direcciones , en este caso si cumplen todos con los desplazamientos laterales por Norma.

Innovación 10: En el caso de arriostres diagonales en la parte central, en todos los pisos , el coeficiente de balasto serà de 8000 ton/m3 , por ser u suelo rìgido mayor a 6000 ton/m3.

ARRIOSTRES CENTRALES DIAGONALES


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El Control de derivas resultaría óptimo y todos los desplazamientos cumplen:

Innovación 11: En el caso de arriostres en Forma de “X” en la parte central (en todos los pisos) , el

coeficiente de balasto será de 8000 ton/m3 , por ser u suelo rígido mayor a 6000 ton/m3, le metrado a respectivo, será el mismo que el del arrostre en x, solo que este caso se incluirá el coeficiente de balasto=8000ton/m3 Los arriostres serán colocados como se aprecia en la siguiente imagen: ARRIOSTRES CENTRALES DIAGONALES

CONTROL DE DERIVAS:


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