Capitulo-1 Estructuración y Comportamiento de Estructuras Frente a Sismo

CAPITULO-1: ESTRUCTURACION Y COMPORTAMIENTO DE ESTRUCTURAS FRENTE A SISMO

CAPITULO-1 ESTRUCTURACION Y COMPORTAMIENTO DE ESTRUCTURAS FRENTE A SISMO 1. Fuerzas sísmicas y la Norma E.030 2. Criterios de estructuración en edificios de concreto armado: pórticos principales, pórticos secundarios, pórticos y muros de concreto, pórticos y muros de albañilería, densidad de muros, influencia de la tabiquería, control de desplazamientos laterales. 3. Ejemplos de estructuras mixtas: muros portantes de ladrillo y pórticos 4. Ejemplos de centros educativos, viviendas unifamiliares y multifamiliares

BIBLIOGRAFIA • ESTRUCTURACIÓN Y DISEÑO DE EDIFICACIONES DE CONCRETO ARMADO Blanco Blasco, Antonio Colegio de Ingenieros del Perú, 1994 • ANALISIS DE EDIFICIOS San Bartolomé, Angel Fondo Editorial PUCP, 1999 • NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” (DECRETO SUPREMO N° 0032016-VIVIENDA) Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Filosofía y Principios del Diseño Sismorresistente La filosofía del Diseño Sismorresistente consiste en: a) Evitar pérdida de vidas humanas. b) Asegurar la continuidad de los servicios básicos. c) Minimizar los daños a la propiedad.

Se reconoce que dar protección completa frente a todos los sismos no es técnica ni económicamente factible para la mayoría de las estructuras.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Filosofía y Principios del Diseño Sismorresistente En concordancia con tal filosofía se establecen en la presente Norma los siguientes principios:

a) La estructura no debería colapsar ni causar daños graves a las personas, aunque podría presentar daños importantes, debido a movimientos sísmicos calificados como severos para el lugar del proyecto. b) La estructura debería soportar movimientos del suelo calificados como moderados para el lugar del proyecto, pudiendo experimentar daños reparables dentro de límites aceptables. c) Para las edificaciones esenciales, definidas en la Tabla Nº 5, se tendrán

consideraciones

especiales

orientadas

a

lograr

condiciones operativas luego de un sismo severo.

que

permanezcan

en

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Filosofía y Principios del Diseño Sismorresistente

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Consideraciones Generales En concordancia con los principios de diseño sismorresistente, se acepta que las edificaciones tengan incursiones inelásticas frente a solicitaciones sísmicas severas. Por tanto, las fuerzas sísmicas de diseño son una fracción de la solicitación sísmica máxima elástica.

Fuerza Sísmica

Fuerza resistida por rigidez de estructura

Demanda real

Fuerza resistida por ductilidad de estructura

Capacidad real Diseño

Periodo

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Procedimientos de Análisis Sísmico Deberá utilizarse uno de los procedimientos siguientes: – Análisis estático o de fuerzas estáticas equivalentes (numeral 4.5). – Análisis dinámico modal espectral (numeral 4.6). El análisis se hará considerando un modelo de comportamiento lineal y elástico con las

solicitaciones sísmicas reducidas. El procedimiento de análisis dinámico tiempo - historia, descrito en el numeral 4.7, podrá usarse con fines de verificación, pero en ningún caso será exigido como

sustituto de los procedimientos indicados en los numerales 4.5 y 4.6.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Este método representa las solicitaciones sísmicas mediante un conjunto de fuerzas actuando en el centro de masas de cada nivel de la edificación.

Podrán analizarse mediante este procedimiento todas las estructuras regulares o irregulares ubicadas en la zona sísmica 1, las estructuras clasificadas como regulares según el numeral 3.5 de no más de 30 m de altura y las estructuras de muros portantes de concreto armado y albañilería armada o confinada de no más de 15 m de altura, aun cuando sean irregulares.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Fuerza Cortante en la Base La fuerza cortante total en la base de la estructura, correspondiente a la dirección considerada, se determinará por la siguiente expresión:

El valor de C/R no deberá considerarse menor que:

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Zonas Sísmicas A cada zona se asigna un factor Z según se indica en la Tabla N° 1. Este factor se interpreta como la aceleración máxima horizontal en suelo rígido con una probabilidad de 10 % de ser excedida en 50 años. El factor Z se expresa como una fracción de la aceleración de la gravedad.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Categoría de las Edificaciones y Factor de Uso (U) El factor de uso o importancia (U), definido en la Tabla N° 5 se usará según la clasificación que se haga. Para edificios con aislamiento sísmico en la base se podrá considerar U = 1

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Factor de Amplificación Sísmica (C) De acuerdo a las características de sitio, se define el factor de amplificación sísmica (C) por las siguientes expresiones:

T es el período de acuerdo al numeral 4.5.4, concordado con el numeral 4.6.1. Este coeficiente se interpreta como el factor de amplificación de la aceleración estructural respecto de la aceleración en el suelo.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Perfiles de Suelo S0: Roca Dura S1: Roca o Suelos Muy Rígidos S2: Suelos Intermedios S3: Suelos Blandos

Parámetros de Sitio (S, TP y TL) Deberá considerarse el tipo de perfil que mejor describa las condiciones locales, utilizándose los correspondientes valores del factor de amplificación del suelo S y de los períodos TP y TL dados en las Tablas Nº 3 y Nº 4.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Coeficiente de Reducción de las Fuerzas Sísmicas, R El coeficiente de reducción de las fuerzas sísmicas se determinará como el producto del coeficiente R0 determinado a partir de la Tabla Nº 7 y de los factores Ia , Ip obtenidos de las Tablas Nº 8 y Nº 9.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Factores de Irregularidad (Ia , Ip ) El factor Ia se determinará como el menor de los valores de la Tabla Nº 8

correspondiente a las irregularidades estructurales existentes en altura en las dos direcciones de análisis. El factor Ip se determinará como el menor de los valores de la Tabla Nº 9 correspondiente a las irregularidades estructurales existentes en planta en las dos direcciones de análisis. Si al aplicar las Tablas Nº 8 y 9 se obtuvieran valores distintos de los factores Ia o Ip para las dos direcciones de análisis, se deberá tomar para cada factor el menor valor entre

los obtenidos para las dos direcciones.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Irregularidad en altura (Ia)

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Irregularidad en altura (Ip)

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Restricciones a la Irregularidad

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Estimación del Peso (P)

El peso (P), se calculará adicionando a la carga permanente y total de la edificación un porcentaje de la carga viva o sobrecarga que se determinará de la siguiente manera: a) En edificaciones de las categorías A y B, se tomará el 50 % de la carga viva. b) En edificaciones de la categoría C, se tomará el 25 % de la carga viva. c) En depósitos, el 80 % del peso total que es posible almacenar. d) En azoteas y techos en general se tomará el 25 % de la carga viva. e) En estructuras de tanques, silos y estructuras similares se considerará el 100 % de

la carga que puede contener.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Distribución de la Fuerza Sísmica en Altura Las fuerzas sísmicas horizontales en cualquier nivel i, correspondientes a la dirección considerada, se calcularán mediante:

Donde n es el número de pisos del edificio, k es un exponente relacionado con el período fundamental de vibración de la estructura (T), en la dirección considerada, que se calcula de acuerdo a: a) Para T menor o igual a 0,5 segundos: k = 1,0. b) Para T mayor que 0,5 segundos: k = (0,75 + 0,5 T) ≤ 2,0.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Período Fundamental de Vibración El período fundamental de vibración para cada dirección se estimará con la siguiente expresión:

Donde: CT = 35 Para edificios cuyos elementos resistentes en la dirección considerada sean únicamente:

a) Pórticos de concreto armado sin muros de corte. b) Pórticos dúctiles de acero con uniones resistentes a momentos, sin arriostramiento. CT = 45 Para edificios cuyos elementos resistentes en la dirección considerada sean: a) Pórticos de concreto armado con muros en las cajas de ascensores y escaleras.

b) Pórticos de acero arriostrados. CT = 60 Para edificios de albañilería y para todos los edificios de concreto armado duales, de muros estructurales, y muros de ductilidad limitada.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Estático o de Fuerzas Estáticas Equivalentes Período Fundamental de Vibración Alternativamente podrá usarse la siguiente expresión:

Donde: –

fi es la fuerza lateral en el nivel i correspondiente a una distribución en altura semejante a la del primer modo en la dirección de análisis.

–

di es el desplazamiento lateral del centro de masa del nivel i en traslación pura (restringiendo los giros en planta) debido a las fuerzas fi. Los desplazamientos se calcularán suponiendo comportamiento lineal elástico de la estructura y, para el caso de estructuras de concreto armado y de albañilería, considerando las secciones sin fisurar.

–

Cuando el análisis no considere la rigidez de los elementos no estructurales, el período fundamental T deberá tomarse como 0,85 del valor obtenido con la fórmula precedente.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Dinámico Modal Espectral Modos de Vibración Los modos de vibración podrán determinarse por un procedimiento de análisis que considere apropiadamente las características de rigidez y la distribución de las masas. En cada dirección se considerarán aquellos modos de vibración cuya suma de masas efectivas sea por lo menos el 90 % de la masa total, pero deberá tomarse en cuenta por lo menos los tres primeros modos predominantes en la dirección de análisis.

Aceleración Espectral Para cada una de las direcciones horizontales analizadas se utilizará un espectro inelástico de pseudo-aceleraciones definido por:

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Dinámico Modal Espectral Fuerza Cortante Mínima Para cada una de las direcciones consideradas en el análisis, la fuerza cortante en el

primer entrepiso del edificio no podrá ser menor que el 80 % del Vestatico para estructuras regulares, ni menor que el 90 % del Vestatico para estructuras irregulares. Si fuera necesario incrementar el cortante para cumplir los mínimos señalados, se deberán escalar proporcionalmente todos los otros resultados obtenidos, excepto los desplazamientos.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Requisitos de Rigidez, Resistencia y Ductilidad Determinación de Desplazamientos Laterales Para estructuras regulares, los desplazamientos laterales se calcularán multiplicando por 0,75 R los resultados obtenidos del análisis lineal y elástico con las solicitaciones sísmicas reducidas. Para estructuras irregulares, los desplazamientos laterales se calcularán multiplicando por R los resultados obtenidos del análisis lineal elástico. Para el cálculo de los desplazamientos laterales no se considerarán los valores mínimos de C/R indicados en el numeral 4.5.2 ni el cortante mínimo en la base especificado en el numeral 4.6.4.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Requisitos de Rigidez, Resistencia y Ductilidad Desplazamientos Laterales Relativos Admisibles El máximo desplazamiento relativo de entrepiso, calculado según el numeral 5.1, no deberá exceder la fracción de la altura de entrepiso (distorsión) que se indica en la Tabla N° 11.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Requisitos de Rigidez, Resistencia y Ductilidad Separación entre Edificios (s) Toda estructura debe estar separada de las estructuras vecinas, desde el nivel del terreno natural, una distancia mínima s para evitar el contacto durante un movimiento sísmico. Esta distancia no será menor que los 2/3 de la suma de los desplazamientos máximos de los edificios adyacentes ni menor que: s = 0,006 h ≥ 0,03 m Donde h es la altura medida desde el nivel del terreno natural hasta el nivel considerado para evaluar s.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Requisitos de Rigidez, Resistencia y Ductilidad Separación entre Edificios (s) El edificio se retirará de los límites de propiedad adyacentes a otros lotes edificables, o con edificaciones, distancias no menores de 2/3 del desplazamiento máximo calculado según el numeral 5.1 ni menores que s/2 si la edificación existente cuenta con una junta sísmica reglamentaria. En caso de que no exista la junta sísmica reglamentaria, el edificio deberá separarse de la edificación existente el valor de s/2 que le corresponde más el valor s/2 de la estructura vecina.

NORMA TÉCNICA E.030 “DISEÑO SISMORRESISTENTE” Análisis Dinámico Modal Espectral





CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO Mientras mas compleja es la estructura, mas difícil resulta predecir su comportamiento sísmico. Por esta razón, es aconsejable que la estructuración sea lo mas simple y limpia posible, de manera que la idealización necesaria para su análisis sísmico se acerque lo mas posible a la estructura real. Los principales criterios que es necesario tomar en cuenta para

lograr una estructura sismo-resistente, son: 1) Simplicidad y simetría 2) Resistencia y ductilidad

3) Hiperestaticidad y monolitismo 4) Uniformidad y continuidad de la estructura 5) Rigidez lateral 6) Diafragma rígido

7) Elementos no estructurales 8) Cimentación 9) Diseño en concreto armado

CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO 1) Simplicidad y simetría La experiencia ha demostrado repetidamente que las estructuras simples se comportan mejor durante los sismos. Hay dos razones principales para que esto sea así: –

Primero, nuestra habilidad para predecir el comportamiento sísmico de una estructura es marcadamente mayor para las estructuras simples que para las complejas;

–

Segundo, nuestra habilidad para idealizar los elementos estructurales es mayor para las estructuras simples que para las complicadas.

Cuando las estructuras son complejas existen dificultades en el modelo a realizar, haciéndose simplificaciones que no permiten asegurar la similitud del modelo y el comportamiento real.

CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO 1) Simplicidad y simetría La simetría de la estructura en dos direcciones es deseable por las mismas razones; la falta de simetría produce efectos torsionales que son difíciles de evaluar y pueden ser

muy destructivos. Las fuerzas de sismo se podrán idealizar actuando en el centro de masas de cada piso, mientras las fuerzas que absorben los elementos estarán ubicadas en el centro de

rigidez; si no existe coincidencia entre el centro de masas y el centro de rigidez el movimiento

sísmico

no

solo

ocasionará

un

movimiento

de

traslación,

sino

adicionalmente un giro en la planta estructural (torsión), la cual hace incrementar los esfuerzos debidos al sismo.

CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO 2) Resistencia y ductilidad Las estructuras deben tener resistencia sísmica adecuada en todas las direcciones. El sistema de resistencia sísmica debe existir por lo menos en dos direcciones ortogonales

o aproximadamente ortogonales, de tal manera que se garantice la estabilidad tanto de Ia estructura como un todo, como de cada uno de sus elementos. La característica fundamental de la solicitación sísmica es su eventualidad. Ello se

traduce en que un determinado nivel de esfuerzos se produce en la estructura durante un corto tiempo. Por esta razón, las fuerzas de sismo se establecen para valores intermedios de la solicitación, confiriendo a la estructura una resistencia inferior a la máxima necesaria, debiendo complementarse el saldo otorgándole una adecuada ductilidad. Esto requiere preparar a la estructura para ingresar en una etapa plástica, sin que se llegue a la falla.

CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO 2) Resistencia y ductilidad Los criterios de ductilidad deben también extenderse al dimensionamiento por corte, ya que en el concreto armado la falla por corte es de naturaleza frágil. Para lograr

este objetivo, debe verificarse en el caso de una viga, que la suma de los momentos flectores extremos divididos por la luz sea menor que la capacidad resistente al corte de la viga; y en general, para cualquier elemento, que la resistencia proporcionada por corte sea mayor que la resistencia proporcionada por flexión. Al diseñar una estructura de concreto armado, debe garantizarse que la falla se produzca por f1uencia del acero y no por compresión del concreto.

CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO 3) Hiperestaticidad y monolitismo Como concepto general de diseño sismo-resistente, debe indicarse la conveniencia de que las estructuras tengan una disposición hiperestática. Ello logra una mayor

capacidad resistente, al permitir que, por producción de rótulas plásticas, se disipe en mejor forma la energía sísmica y, por otra parte, al aumentar la capacidad resistente se otorga a la estructura un mayor grado de seguridad.

En el diseño de estructuras donde el sistema de resistencia sísmica no sea hiperestático, es necesario tener en cuenta el efecto adverso que implicaría la falla de uno de los elementos o conexiones en la estabilidad de la estructura.

CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO 4) Uniformidad y continuidad de la estructura La estructura debe ser continua tanto en planta como en elevación con elementos que no cambien bruscamente de rigidez, de manera de evitar concentraciones de

esfuerzo. Si se usan placas (muros de concreto armado) y se requiere eliminarlas en algún nivel superior, no deberá hacerse un cambio brusco, sino reducciones paulatinas de

manera de obtener una transición.

CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO 5) Rigidez lateral Para que una estructura pueda resistir fuerzas horizontales sin tener deformaciones importantes, será necesario proveerla de elementos estructurales que aporten rigidez

lateral en sus direcciones principales. Las deformaciones importantes durante un sismo, ocasionan mayor efecto de pánico en los usuarios de la estructura, mayores daños en los elementos no estructurales y en

general

mayores

efectos

perjudiciales,

habiéndose

comprobado

un

mejor

comportamiento en estructuras rígidas que en estructuras flexibles. Buscar que además de tener una adecuada rigidez lateral, exista rigidez torsional en la estructura.

CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO 6) Diafragma rígido En los análisis es usual considerar como hipótesis básica la existencia de una losa rígida en su plano, que permite la idealización de la estructura como una unidad, donde las

fuerza horizontales aplicadas pueden distribuirse en las columnas y muros (placas) de acuerdo a su rigidez lateral, manteniendo todas una misma deformación lateral para un determinado nivel.

Esta condición debe ser verificada teniendo cuidado de no tener losas con grandes aberturas que debiliten la rigidez de estas. Debe tenerse especial cuidado en las reducciones de planta con zonas tipo puente.

CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO 7) Elementos no estructurales En algunos casos la tabiquería puede presentar efectos nocivos en la estructura; así tenemos por ejemplo el caso de tabiquería colocada en forma asimétrica en planta, o

tabiquería que produce columnas cortas (ventanas altas). En estos casos debe corregirse estos defectos mediante la independización de los tabiques o mediante la inclusión de otros elementos de concreto armado que anulen los efectos mencionados. Si la estructura está conformada básicamente por pórticos, con abundancia de tabiquería, esta no se podrá despreciar en el análisis, pues su rigidez será apreciable, obteniéndose una rigidez del conjunto tabiquería-pórticos muy diferente a la de los pórticos solamente. En estos casos se deberá realizar el análisis usando modelos estructurales que incluyan la tabiquería.

CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO 8) Cimentación La regla básica respecto a la resistencia sísmica de la cimentación es que se debe obtener una acción integral de la misma durante un sismo; además de las cargas

verticales que actúan, los siguientes factores deberán considerarse respecto al diseño de la cimentación: a) Transmisión del cortante basal de la estructura al suelo.

b) Provisión para los momentos de volteo. c) Posibilidad de movimientos diferenciales de los elementos de la cimentación. d) Licuefacción del subsuelo.

CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO 8) Cimentación Cuando una estructura está cimentada sobre dos tipos diferentes de suelos los cuidados deben ser mayores para obtener una acción integral. Mientras menos rígidos sean los terrenos de cimentación es mayor la importancia de considerar la posibilidad de giro de la cimentación, el cual afecta desde la determinación del período de vibración, el coeficiente sísmico, la distribución de

fuerzas entre placas y pórticos y la distribución de esfuerzos en altura (distintos pisos) hasta los diseños de los diferentes elementos estructurales.

CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO 9) Diseño en concreto armado Las consideraciones mas importantes para el diseño sismo-resistente son: a) En el diseño por flexión buscar la falla por tracción evitando Ia faIla por compresión, limitando la cuantía de acero a valores que proporcionen ductilidad adecuada. b) En un elemento sometido a flexión y cortante, dar más capacidad por cortante buscando evitar la falla por cortante. Esta es frágil mientras que Ia falla por flexión

es dúctil. c) En un elemento comprimido o en zonas donde existen compresiones importantes (máximo momento) confinar al concreto con refuerzo de acero transversal; ejerciendo éste por reacción, una presión de confinamiento, la cual evita el desprendimiento del núcleo aumentando la capacidad de deformación en la etapa plástica (ductilidad) si el refuerzo y su confinamiento son adecuados.

CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN EN EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO 9) Diseño en concreto armado d) Diseñar los elementos continuos con cuantías de fierro en tracción y en compresión que permitan la redistribución de momentos y una adecuada ductilidad. e) Diseñar las columnas con mayor capacidad de resistir momentos en relación a las vigas, de tal manera que las rótulas plásticas se formen en los extremos de vigas y no en las columnas. f)

En un elemento sometido a flexocompresión y cortante (columnas y muros) dar mas capacidad por cortante que por flexión.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO

1) Losas 2) Vigas 3) Columnas 4) Placas

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 1) Losas Las losas son los elementos que hacen factible la existencia de los pisos y techos de una edificación. Tienen dos funciones principales desde el punto de vista estructural: a) la primera, ligada a las cargas de gravedad, que es la trasmisión hacia las vigas de las cargas propias de la losa, el piso terminado, la sobrecarga y eventualmente tabiques u otros elementos apoyados en ellos;

b) la segunda, ligada a las cargas de sismo, que es la obtención de la unidad de la estructura, de manera que esta tenga un comportamiento uniforme en cada piso, logrando que las columnas y muros se deformen una misma cantidad en cada nivel. Dadas las dimensiones de las losas de una edificación se pueden considerar prácticamente indeformables en su plano, por lo que en los análisis se habla de que la losa es un diafragma rígido.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 1) Losas Las losas se pueden subdividir en: –

Losas Macizas

–

Losas Nervadas

–

Losas Aligeradas

Las losas macizas tienen un determinado espesor, íntegramente en concreto armado.

Las losas nervadas tienen en cambio nervios o viguetas cada cierta distancia, unidas por una losa maciza superior mas delgada, requiriendo de un encofrado que siga la superficie lateral de las nervaduras y el fondo de la losa superior. Las losas aligeradas son en esencia losas nervadas, pero tienen como diferencia, que el espacio existente entre las nervaduras o viguetas esté relleno por un ladrillo aligerado (con espacios vacíos tubulares).

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 1) Losas

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 1) Losas Predimensionamiento Aligerados: El peralte de las losas aligeradas podrá ser dimensionado considerando los siguientes criterios (h=L/25 aprox.): h = 17 cms. luces menores de 4.0 mts.

h = 20 cms. luces comprendidas entre 4.0 y 5.5 mts. h = 25 cms. luces comprendidas entre 5.0 y 6.5 mts. h = 30 cms. luces comprendidas entre 6.0 y 7.5 mts.

Se debe entender que "h" expresa la altura o espesor total de la losa aligerada y por tanto incluye los 5 cms. de losa superior y el espesor del ladrillo de techo; los ladrillos serán de 12, 15, 20 y 25 cms. respectivamente.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 1) Losas Predimensionamiento Aligerados: El dimensionamiento anterior será válido para aligerado armados en una dirección, en los casos en que se tengan sobrecargas normales del orden máximo de 300 a 350 Kilos por metro cuadrado; para sobrecargas mayores, es factible que se requiera de espesores mayores sobre todo en el caso de luces cercanas a los limites máximos

señalados. Cuando existen tabiques paralelos a la dirección de las viguetas, es frecuente diseñar una viga chata o colocar una doble vigueta con Ia intención de reforzar el techo para la carga aplicada.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 1) Losas Predimensionamiento Aligerados: Los aligerados armados en dos direcciones se usan generalmente cuando se tienen paños más o menos cuadrados y de luces mayores a los 6.0 mts. En esto casos se podrá considerar: h = 25 cms. luces comprendidas entre 6.5 y 7.5 mts. h = 30 cms. luces comprendidas entre 7.0 y 8.5 mts.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 1) Losas Predimensionamiento Losas Nervadas: Las losa nervadas se usan generalmente en paños de luces grandes, mayores a 6 mts. puesto que resultan ser más livianas que una losa aligerada y porque se construyen con espesores y espaciamientos entre viguetas que no dependen de condiciones rígidas del mercado (caso del ancho de los ladrillos), sino del requerimiento estructural

o arquitectónico. Los nervios o viguetas usualmente se hacen de forma trapezoidal, con un menor ancho en Ia base engrosándose hacia la parte superior, con el fin de facilitar el desencofrado; sin embargo, se pueden hacer también de forma rectangular (ancho constante).

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 1) Losas Predimensionamiento Losas Nervadas: La losa superior que une los nervios o nervaduras suele ser de espesor delgado y constante, usándose generalmente 5 cm.; evidentemente se requerirá un espesor mayor si la separación entre viguetas se hace muy importante. Las distancias libres usuales entre nervaduras son de 50 a 75 cms. con secciones de viguetas de ancho

variable entre 10 y 15 cms. y peralte dependiente de la luz del paño variable generalmente entre 35 y 60cms. Cuando los paños son de forma cuadrada o de forma rectangular con lados no muy diferentes, será conveniente considerar losas nervadas en dos direcciones, teniéndose la losa encasetonada o tipo "waffle“.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 1) Losas Predimensionamiento Losas Nervadas: Suponiendo una distancia a ejes entre viguetas del orden de 70 cms., se puede considerar el siguiente dimensionamiento (Viguetas en una dirección): Ancho Variable de 10 @ 15 cms., Peralte 35 cms.

L < 7.5 mts.

Ancho Variable de 10 @ 15 cms., Peralte 40 cms.

L < 8.5 mts.

Ancho Variable de 10 @ 15 cms., Peralte 50 cms.

L < 9.5 mts.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 1) Losas Predimensionamiento Losas Macizas: El peralte de las losas macizas podrá ser dimensionado considerando los siguientes criterios: Losas en 2 direcciones: h=L/40 o ƩL/180

Losas en 1 dirección: h=L/30 Sin embargo, muchas veces se dispone de un espesor mayor por condiciones de aislamiento acústico y vibraciones.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 2) Vigas Son los elementos que reciben la carga de las losa, y las trasmiten hacia otras o directamente hacia las columnas o muros. Generalmente las vigas forman los denominados ejes de la estructura, teniendo las columnas ubicadas en sus intersecciones. El conjunto formado por las vigas y las columnas recibe el nombre de pórticos. Las vigas tienen una función sísmica importantísima. Esta es la de constituir junto con las columnas y muros los elementos resistentes a los diferentes esfuerzos producidos por las fuerzas horizontales de sismo (cortantes, momentos y axiales), y ser los elementos que ayuda a proporcionar rigidez lateral.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 2) Vigas Las vigas pueden ser peraltadas o chatas dependiendo de su altura o peralte; se denomina viga peraltada a aquella que tiene una altura mayor al espesor del techo, y

por tanto es visible. Las vigas peraltadas pueden ser invertidas, cuando sobresalen hacia la parte superior de la losa. El comportamiento de una viga peraltada y el de una invertida (de la misma altura) es

idéntico en cuanto a rigidez y resistencia, y sólo es diferente en cuanto a los esfuerzos internos de su alma, por tener una la carga apoyada sobre ella, y la otra la carga colgada de ella, por lo tanto en ellas se origina un efecto local de tracción en el alma que debe ser contemplado en el diseño, siendo generoso con los estribos (Vc=0).

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 2) Vigas Las diferencias entre una viga peraltada y una viga chata sí son notorias, puesto que comprenden no sólo su capacidad resistente por flexión y cortante, sino su capacidad

de deformación (rigidez o flexibilidad). Es obvio que una viga peraltada se deformará menos y tendrá mayor capacidad resistente que una viga chata, debido a su mayor inercia y su mayor brazo de palanca

interno.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 2) Vigas Predimensionamiento de Vigas: Las vigas se dimensionan generalmente considerando un peralte del orden de 1/10 a 1/12 de la luz libre; debe aclararse que esta altura incluye el espesor de la losa del techo o piso.

El ancho es menos importante que el peralte, pudiendo variar entre 0.3 a 0.5 de la altura. La Norma Peruana de Concreto Armado indica que las vigas deben tener un ancho mínimo de 25 cms. para el caso que éstas formen parte de pórticos o elementos sismo-resistentes de estructuras de concreto armado. Esta limitación no impide tener vigas de menor espesor (15 o 20 cms.) si se trata de vigas que no forman pórticos.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 2) Vigas Predimensionamiento de Vigas: Conforme se tengan luces más grandes, puede disminuirse el peralte obtenido con la recomendación del décimo o doceavo de Ia luz, y es factible considerar hasta el catorceavo de la luz disponiendo de anchos del orden de 0.5 de la altura.

En la Norma Peruana se indica en los requerimentos de control de deflexiones peraltes menores a los recomendados; la razón de esta diferencia es que la Norma especifica estos peraltes desde el punto de vista de deflexiones solamente, sin considerar factores de rigidez lateral y diseño sismo-resistente.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 3) Columnas Las columnas son elementos principalmente sometidos a esfuerzos de compresión y simultáneamente a los de flexión (flexocompresión), debido a que tienen momentos

flectores trasmitidos por las vigas y reciben las cargas axiales de los diferentes niveles de la edificación. La sección transversal de la columna dependerá de la magnitud de la carga vertical que recibe y de la magnitud de los momentos flectores actuantes.

Las columnas ven afectadas su resistencia debido a los denominados efectos de esbeltez; estos ocasionan deformaciones transversales que generan excentricidades adicionales a las del análisis convencional, produciéndose momentos que afectan la capacidad resistente de las columnas.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 3) Columnas Mientras mayor sea la altura de la columna o menor su sección transversal, mayores serán la deformaciones transversales, y por tanto mayores los momentos adicionales.

Otros factores como son la magnitud de la carga axial, el arriostre de la columna en los encuentros con las vigas, el tipo de curvatura y el desplazamiento lateral del entrepiso en análisis, influyen en la evaluación de lo efectos de esbeltez. Cuando se usan columnas rectangulares los efectos de esbeltez son mas críticos en la dirección de menor espesor, no siendo recomendable secciones con espesores menores de 25 cms., salvo el caso de columnas de confinamiento de muros de

albañilería, las cuales tienen un comportamiento diferente y donde la carga axial generalmente no es importante.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 3) Columnas Predimensionamiento de Columnas: a) Para edificios que tengan muros de corte en las dos direcciones, tal que la rigidez lateral y la resistencia van a estar principalmente controladas por los muros, las columnas se pueden dimensionar suponiendo un área igual a: Área de columna = P (servicio) / 0.45f'c b) Para el mismo tipo de edificio, el dimensionamiento de las columnas con menos carga axial, como es el caso de las exteriores o esquineras, se podrá hacer con un área igual a: Área de columna = P (servicio) / 0.35f'c

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 4) Placas Son muros de concreto armado que dada su mayor dimensión en una dirección, muy superior a su ancho, proporcionan gran rigidez lateral y resistencia en esa dirección. Sin

embargo, el hecho de tener su largo notoriamente superior a su ancho, hace que la placas tengan un comportamiento interior diferente (importantes deformaciones por corte), convirtiéndose en elementos de gran rigidez lateral y resistencia en la dirección de su largo. La gran rigidez lateral que proporcionan los muros o placas, superior a la que puede proporcionar un pórtico formado por columnas y vigas, hace que en Ia actualidad, con una conciencia mas clara hacia el diseño sismoresistente, se les use en casi todo tipo de edificaciones.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 4) Placas Dada su gran rigidez, las placas terminan absorbiendo la mayor parte de los cortantes de sismo (fuerzas horizontales acumuladas), lo cual obliga a ser muy cuidadoso con su

ubicación en planta, con el objeto de no crear efectos de torsión si se colocan estos en forma asimétrica. De lo indicado se puede concluir que el uso de placas es muy conveniente para el

buen comportamiento de una edificación, teniendo presente la importancia de su buena ubicación, de tal modo de lograr estructuras simétricas o lo menos asimétricas posible.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES Y PREDIMENSIONAMIENTO 4) Placas Predimensionamiento de Placas: Su dimensionamiento se obtiene en la mayoría de los casos evaluando el análisis sísmico (desplazamientos laterales) en coordinación con la arquitectura. Lo mas importante es verificar los desplazamientos laterales y luego verificar el acero de refuerzo (cortante, flexocompresion). Otra forma de predimensionar (es solo una estimación) seria estimando el cortante basal, evaluar cuanto de cortante toma cada placa verificamos el esfuerzo cortante y lo comparamos con lo que resiste el concreto. Si hay mucha diferencia será recomendable aumentar el espesor de la placa.

CENTRO DE RIGIDEZ LATERAL (CR) El centro de rigidez lateral (CR), o centro de giro, se define como aquel punto del entrepiso sujeto sólo a traslación, alrededor del cual rotan y se trasladan el resto de puntos. Este punto corresponde al centro estático de las rigideces laterales de los diversos ejes estructurales que componen al entrepiso en estudio.

CENTRO DE RIGIDEZ LATERAL (CR)

CENTRO DE CARGA (CQ) Las fuerzas de inercia (Fi) proporcionadas por la Norma E-030 actúan en el centro de masas de cada nivel (CM), el cual prácticamente coincide con el centroide del área en planta debido a que la masa gobernante (losa, vigas, acabados, sobrecarga, tabiques, etc.) se encuentra concentrada en el nivel.

CENTRO DE CARGA (CQ) Como la corrección por torsión se realiza trabajando con los entrepisos, es necesario determinar la posición (CQ) del cortante de entrepiso (Q), o centro de carga, de manera que "Q" genere en un entrepiso determinado el mismo momento torsor (Mt) que sus componentes (que son las fuerzas de inercia Fi)

CALCULO DE RIGIDECES LATERALES EN BARRAS BIEMPOTRADAS

EJEMPLOS DE APLICACIÓN: CENTRO EMPRESARIAL AREQUIPA Estructuración •

Ubicación: Arequipa

•

Suelo Tipo 2

•

Norma E-030 2016

•

Vigas peralte h=.80 (≈L/12)

•

Losa Maciza h=.20

•

Placas e=.30 e=.35 e=.40

•

10 Pisos

EJEMPLOS DE APLICACIÓN: CENTRO EMPRESARIAL AREQUIPA Determinar CR mediante calculo de rigideces laterales en barras biempotradas:



EJEMPLOS DE APLICACIÓN: CENTRO EMPRESARIAL AREQUIPA Calculo de esfuerzos:

EJEMPLOS DE APLICACIÓN: CENTRO EMPRESARIAL AREQUIPA Determinar CR mediante modelo en ETABS:

Prácticamente mismo resultado que calculo de rigideces laterales en barras biempotradas:

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO CENTRO EMPRESARIAL ENRIQUE PALACIOS (7 PISOS) Arquitectura original:

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO CENTRO EMPRESARIAL ENRIQUE PALACIOS (7 PISOS) Arquitectura final:

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO CENTRO EMPRESARIAL ENRIQUE PALACIOS (7 PISOS) Estructuración •

Norma E-030 2003

•


•

Aligerado Firth [email protected]

•

Losa Maciza h=.20

•

Placas e=.25 e=.30

•

Junta Sísmica 10cm

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO CENTRO EMPRESARIAL ENRIQUE PALACIOS (7 PISOS) Vigueta Pretensada



EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO EDIFICIO MULTIFAMILIAR SAN FELIPE (20 PISOS) Arquitectura original:

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO EDIFICIO MULTIFAMILIAR SAN FELIPE (20 PISOS) Arquitectura final:

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO EDIFICIO MULTIFAMILIAR SAN FELIPE (20 PISOS) Estructuración Bloque-A: •

Norma E-030 2003

•


•

Prelosa Aligerada 1 y 2 sentidos h=.20

•

Losa Maciza h=.20

•

Placas e=.25 e=.30 e=.40 f’c=280 f’c=350

•

Junta Sísmica 20cm

•

Tabiqueria P-10

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO EDIFICIO MULTIFAMILIAR SAN FELIPE (20 PISOS) Estructuración Bloque-B: •

Norma E-030 2003

•

Vigas peralte h=.55

•


•

Losa Maciza h=.20

•

Placas e=.25 e=.30 f’c=280 f’c=350

•

Junta Sísmica 20cm

•

Tabiquería P-10

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO EDIFICIO MULTIFAMILIAR SAN FELIPE (20 PISOS) •

Prelosa Aligerada 1 sentido h=.20


Prelosa Aligerada 2 sentido h=.20



EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO EDIFICIO SAN FELIPE (20 PISOS) •

Prelosa Aligerada 1 y 2 sentidos


Tabiquería P-10

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO C.C. EL GOLF TRUJILLO (2 SOTANOS Y 12 PISOS) •

Arquitectura original:


Arquitectura final:

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO C.C. EL GOLF TRUJILLO (2 SOTANOS Y 12 PISOS) Estructuración : • Vigas peralte h=.70 (L/10)

• S/C=500 kg/m2

• Losa Maciza h=.20

• S/C =1000 kg/m2


Cimentación:


Cimentación:


Cimentación:

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO C.C. OUTLET LURIN (1 PISO) •

Arquitectura original: Columnas .50x.50

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO C.C. OUTLET LURIN (1 PISO) •

Arquitectura final: Columnas .55x.55 / .55x.75 / .55x1.00

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO C.C. OUTLET LURIN (1 PISO) Estructuración Bloque-3: •

Norma E-030 2003

•

Vigas

peralte

•

h=.25x.65

h=.30x1.05 Semi-Inv.

Aligerado convencional h=.20

•

S/C=150 kg/m2

•

Columnas .55x1.00

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO C.C. OUTLET LURIN (1 PISO) Estructuración Bloque-3:

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO C.C. OUTLET LURIN (1 PISO) Estructuración Bloque-3:

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO C.C. OUTLET LURIN (1 PISO) Cimentación con Mejoramiento de Suelo: La alternativa contempla primeramente el mejoramiento del suelo mediante técnicas

de “Vibrosustitución”, con el objetivo principal de controlar el fenómeno de licuación. Las ventajas de la técnica y resultados obtenidos se describen a continuación:

– Mejora notoriamente el confinamiento lateral. – Reduce los vacíos del suelo licuable. – Mejora la permeabilidad. – Mejora de los esfuerzos cortantes del suelo por la presencia de columnas de grava que aportan mayor rigidez suelo. – Mayor capacidad portante.

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO C.C. OUTLET LURIN (1 PISO) Cimentación con Mejoramiento de Suelo: – En el análisis de mitigación de susceptibilidad a licuefacción se han considerado los parámetros de diseño sísmicos que consisten en una aceleración de 0.4g y magnitud de 7.5. El resultado de dicho análisis muestra un factor de seguridad a licuefacción del suelo mejorado mediante elementos Impact® superior a la unidad para cada uno de los sondeos analizados en la

condición de suelo mejorado. – La solución planteada mediante el sistema Impact® consiste en el empleo de Pilas de Agregado Compactado de 0.50 metros de diámetro instaladas bajo zapatas y losas de piso hasta profundidades de 4.5 metros para mitigación de susceptibilidad a licuefacción. – La capacidad portante del suelo reforzado con el sistema Impact® se eleva a 1.7 Kg/cm2 (3.5 kip/ft2) para el dimensionamiento de zapatas.

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO C.C. OUTLET LURIN (1 PISO) Cimentación con Mejoramiento de Suelo:




EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO HOSPITAL BELLAVISTA (1PISO Y 3 PISOS) •

Arquitectura original: Columnas .40x.40


Arquitectura final: Columnas .45x.45


Arquitectura final:

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO HOSPITAL BELLAVISTA (3 PISOS) Estructuración: •

Norma E-030 2016

•


•

Losa Maciza h=.20

•

Columnas .45x.45, .45x.90

EJEMPLOS DE ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS DE CONCRETO ARMADO HOSPITAL BELLAVISTA (3 PISOS) Cimentación:



Capitulo-1 Estructuración y Comportamiento de Estructuras Frente a Sismo

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