ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
ESTRUCTURAS DE ACERO II
MEMORIA TÉCNICA EDIFICIO PACIFIC CENTER
INTEGRANTES:
Fecha: 10 de Agosto de 2016 Índice 1
1
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ...................................................................................1
2
OBJETIVOS ....................................................................................................................... 1 2.1
OBJETIVO GENERAL: ............................................................................................. 1
2.2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS: .....................................................................................1
3
ESTUDIO DEL PROYECTO ............................................................................................ 2 3.1
BASES DE DISEÑO .................................................................................................. 2
4
METODOLOGÍA............................................................................................................... 2
5
CORTANTE BASAL Y COEFICIENTES USADOS ....................................................... 3 5.1 Determinación del coeficiente k, relacionado con el periodo de vibración de la estructura: ...............................................................................................................................3 5.2
Cortante Basal .............................................................................................................3
5.3
Tabla de valores del cálculo ........................................................................................ 4
6
TIPO DE CARGAS USADAS ........................................................................................... 5
7
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ........................................................................ 5
8
COMBINACIONES DE CARGA...................................................................................... 6
9
SECCIONES USADAS Y PREDISEÑO...........................................................................6
10
RESULTADOS...............................................................................................................8
10.1 Modos de vibración (Ux, Uy, Rz) ............................................................................. 10 10.2 Gráficas de derivas finales ........................................................................................ 10 10.3 Solicitaciones de Vigas y Columnas ......................................................................... 12 10.4 Diseño en Etabs .........................................................................................................12
11
10.4.1
Diseño de columnas compuestas ....................................................................... 12
10.4.2
Diseño de vigas .................................................................................................. 13
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...........................................................14
2
1
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
El presente trabajo trata de un análisis estructural considerando tanto carga vertical como carga lateral por sismo del edificio denominado “Pacific Center”. Esta edificación está destinada a oficinas teniendo en la planta locales comerciales, consta de 9 pisos, una terraza en la parte superior y tres subsuelos para parqueaderos. El área aproximada del “Pacific Center” es de 756 m2. Se encuentra ubicado en la Calle Gonzalo Pizarro, cercano a la Avenida Interoceánica, sector de Tumbaco.
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OBJETIVOS
2.1
OBJETIVO GENERAL: -
Realizar la modelación y diseño estructural del Edificio “Pacific Center” y describir
los criterios y lineamientos técnicos utilizados para la misma, cumpliendo con la normativa de construcción vigente en el país, así como algunos códigos extranjeros que se aplican en el Ecuador.
2.2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Prediseñar y diseñar los elementos estructurales. Utilizar el programa CSI Etabs v. 15.0 para la modelación de la estructura. Calcular el coeficiente de cortante basal en base al NEC 2015, tomando como periodo el calculado en el programa. Obtener derivas de piso y solicitaciones máximas en elementos estructurales. 1
3 3.1
ESTUDIO DEL PROYECTO BASES DE DISEÑO
Pórtico espacial sismo-resistente: Estructura formada por columnas y vigas descolgadas que resiste cargas verticales y de origen sísmico, en la cual tanto el pórtico como la conexión viga columna son capaces de resistir tales fuerzas, y está especialmente diseñado y detallado para presentar un comportamiento estructural dúctil, mediante elementos de acero estructural que cumplan con las disposiciones de las normas ANSI/AISC 360-10, ANSI/AISC 358-05 (Seismic Provisions for Structural Steel Buildings), y Código ACI-318. El edificio “PACIFIC CENTER” está conformado por:
- Muros de contención de hormigón armado para conformar los subsuelos.. - Estructura con: Columnas, vigas y viguetas mixtas. - Losas macizas de espesor 10 cm, de hormigón f’c=210 kg/cm2. - Muros de corte de espesor 30 cm, de hormigón f’c=210 kg/cm2. Además la cimentación que se propone está constituida por vigas de cimentación, aunque no se realizó el diseño de la misma, ya que las disposiciones por parte del profesor a cargo así lo especificaron.
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METODOLOGÍA
La resolución de la estructura se llevó a cabo utilizando el programa computacional Etabs versión 15.0. Se diseñó tratando de mostrar lo más fielmente posible la geometría y los materiales utilizados. Se realizó en primera instancia un prediseño de las secciones, tanto de columnas compuestas como de vigas. Posterior a ello, se elaboró un modelo preliminar para obtener periodo de vibración y pesos de los elementos. El sistema utilizado en el modelo es de un pórtico espacial sismo-resistente con muros de corte. Estructura formada por columnas compuestas, vigas tipo I de acero y muros de corte de hormigón que resisten cargas verticales y de origen sísmico, en la cual tanto el pórtico como la conexión viga columna como los diafragmas son capaces de resistir tales fuerzas.
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CORTANTE BASAL Y COEFICIENTES USADOS
Según la NEC 2015:
5.1
Determinación del coeficiente k, relacionado con el periodo de vibración de la estructura:
Para el periodo modelado y corregido del edificio “Pacific Center” aproximadamente de 0.478 segundos, el coeficiente k es igual a 1.0
5.2 -
Cortante Basal Coeficiente de importancia I = 1.0, ya que es un edificio de almacenes y oficinas. Factor de reducción de resistencia R = 6.5, se diseñó para que tenga una mayor
resistencia, esto para evitar que graves daños en la estructura, a pesar de tener diafragmas, se toma un R=6.5, resultado del promedio entre considerar un sistema de pórtico especial a momento y sistema intermedio a momento. Para que esto sea válido, es necesario que los patines y almas de las secciones I usadas en las vigas sean sísmicamente compactos y compactas, respectivamente. Se deberá utilizar las norma AWS y conexiones 358. -
Configuración en planta ϕp= 1, ya que el edificio no tiene entradas y no presenta
torsión en planta, en la modelación final. -
Configuración en elevación ϕe= 1,
ya que el edificio es simétrico en elevación, a
pesar de poseer una altura de entrepiso de planta baja distinta al resto de pisos superiores. -
Seudo aceleración Sa(Ta)
-
Razón entre la aceleración espectral Sa (T=0.1 s) y el PGA para el periodo de retorno
seleccionado: -
Cálculo del factor Z= 0.40, para zona V de alto peligro sísmico.
-
Cálculo del periodo límite de vibración Tc= 0.55*Fs*Fd/Fa.
==> Considerando un suelo tipo D 3
Coeficiente de amplificación del suelo, comportamiento no lineal Fs= 1.2. Coeficiente de amplificación del suelo, espectro elástico Fd= 1.19. Coeficiente de amplificación del suelo en la zona de periodo corto Fa= 1.28. Factor usado en el espectro de diseño elástico: r=1
5.3
para todos los suelos, con excepción del suelo tipo E
Tabla de valores del cálculo
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TIPO DE CARGAS USADAS
Para el diseño estructural de los elementos se consideraron las siguientes cargas: ●
CARGA MUERTA (CM)
Peso de la loseta 10cm: 240 kg/m2 Estructura: Peso de las paredes: Acabados:
45 kg/m2 255 kg/m2 100 kg/m2
Varios:
50 kg/m2
Total:
690 kg/m2
●
CARGA VIVA (CV)
Para el edificio se tomó una carga viva de 0.25 [T/m2], debido a que será un sitio concurrido en el que puede darse el caso de que toda la losa esté bastante cargada.
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PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
Se utilizaron en el diseño los siguientes materiales: -
Hormigón armado de peso específico 2.4 Ton/m3 y resistencia a compresión f’c=210
kg/cm2 para la losa y diafragmas. Y en base al código donde se indica un valor del módulo de elasticidad aproximadamente de 10000 - 15000 * raiz (f’c) [kg/cm2], se utilizó un valor de E= 12000*raíz (f’c) lo que nos da un valor de 173896.52 kg/cm2.
-
Hormigón armado de peso específico 2.4 Ton/m3 y resistencia a compresión f’ c=240
kg/cm2 para el relleno de las columnas compuestas. Y en base al código donde se indica un valor del módulo de elasticidad aproximadamente de 10000 - 15000 * raiz (f’c) [kg/cm2], se utilizó un valor de E= 12000*raíz (f’c) lo que nos da un valor de
185903.2 kg/cm2. -
Acero estructural conformado en frío de peso específico 7.85 Ton/m3 y fy=3520 kg/cm2 para columnas compuestas, vigas principales y vigas secundarias. Se utilizó un valor de módulo de elasticidad E= 2038902kg/cm2.
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COMBINACIONES DE CARGA
Las combinaciones de carga usadas para el diseño son las siguientes: a) 1.4D b) 1.2D+1.6L c) 1.4D+1.0L+/-1.0Sismo d) 1.4D+1.0L+/-1.0Sismo+/-excentricidad e) 0.7D+/-1.0Sismo f) 0.7D+/-1.0Sismo+/-excentricidad g) 1.0D h) 1.0D+1.0L Las presentes combinaciones fueron tomadas para el diseño de un pórtico de acero, siguiendo la norma AISC 360-10
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SECCIONES USADAS Y PREDISEÑO
Para el predimensionamiento de las columnas se empleó el criterio de que las mismas trabajen como máximo a un 45% de su capacidad axial. Utilizando 2 tipos de secciones para columnas internas y uno para columnas externas. En el caso de las vigas se ha tomado el criterio de que las secciones lleguen a la plastificación. Se obtuvieron 2 secciones para vigas principales y dos para vigas secundarias, esto con el fin de optimizar el diseño y ocupar menor cantidad de acero, cumpliendo así con la indicación dada de que el acero usado sea menor a 45 kg/m2.
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SECCIONES: - Secciones de columnas compuestas (sección cajón de acero rellena de hormigón): 30x30, 40x40, 50x50 todas de espesor igual a 1.2cm. - Secciones de columnas de hormigón (para muros de contención): 30x30cm. - Vigas principales para el vano crítico interior de 8.5m y para vigas en diafragmas: Viga tipo I de dimensiones 50x0.6x15x1.2. - Vigas principales para el resto de vanos y para vigas exteriores: Viga tipo I de dimensiones 40x0.6x10x1. - .Vigas secundarias para un espaciamiento de 2m entre viguetas: Viga tipo I de dimensiones 30x0.6x10x0.8. - .Vigas secundarias para un espaciamiento de 1.75 y de 1.50 entre viguetas: Viga tipo I de dimensiones 25x0.6x10x0.8. - Loseta maciza de 10cm de espesor. - Diafragmas de 30cm de espesor (ver distribución en planta en Resultados).
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Adoptando estas secciones se obtiene la siguiente cantidad de acero:
10 RESULTADOS
Modelo estructural del edificio
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Vista en planta, subsuelos tipo
Vista en planta, pisos tipo 9
10.1 Modos de vibración (Ux, Uy, Rz)
El modelo no presenta torsión en planta en el primer modo de vibración. En el segundo modo la relación es de ⅙ por lo cual se considera que tampoco representa lo suficiente la torsión. El sentido más débil del edificio es en la dirección X. Siendo el tercer modo de vibración a torsión podemos ver que el edificio es fuerte a torsión. El periodo de la estructura se redujo al usar diafragmas ya que estos rigidizan al edificio.
10.2 Gráficas de derivas finales Para la combinación que produjo mayor deriva en X (línea azul):
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Para la combinación que produjo mayor deriva en Y (línea roja):
Debido al uso de diafragmas las derivas se controlan por completo, resultando mucho menores a la deriva inelástica permitida por el código de 0.02.
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10.3 Solicitaciones de Vigas y Columnas Momento positivo máximo en vigas: 20.92 Tonf-m Momento negativo máximo en vigas: -30.93 Tonf-m Cortante máximo en vigas: 24.11 Tonf Momento máximo en columnas compuestas: 23 Tonf-m Cortante máximo en columnas compuestas: 13.45 Tonf Tracción máxima en columnas compuestas: 246.18 Tonf (Combinaciones críticas) Compresión máxima en columnas compuestas: 666.77 Tonf
10.4 Diseño en Etabs 10.4.1 Diseño de columnas compuestas
Los valores promedios de carga/resistencia se mantienen en el rango celeste y en un máximo llega hasta el rango amarillo.
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10.4.2 Diseño de vigas
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Existen algunas vigas que están trabajando a toda su capacidad, estas se deben recalcular con una nueva sección. Pero no se ha tomado la capacidad portante de la loseta de hormigón que ayudará a la flexión de las vigas. Por tanto si se considera las vigas van a pasar el diseño.
11 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El primer control que se debe realizar en el diseño de una estructura es verificar la torsión en planta, para posteriormente realizar el chequeo de derivas y después esfuerzos en los elementos. Siguiendo las recomendaciones de diseño para cualquier edificio, se utilizaron diafragmas en el edificio Pacific Center para controlar la torsión en planta, que es de vital importancia para que en caso de un sismo el edificio se pueda agotar a flexión. Los modos de vibración principales son los 3 primeros, siendo el primero el de mayor importancia, es fundamental que no se presente torsión en los dos primeros modos de vibración, y de ser así, su relación debe ser pequeña en comparación con la traslación. Para la modelación de la estructura y cálculo del cortante basal se usó un R=6.5 teniendo en cuenta que el edificio actuará como un conjunto de pórticos intermedios resistentes a momento que tienen capacidad de disipar energía, pero mayor resistencia que los especiales resistentes a momento, esto con el fin de evitar excesivos daños en paredes y demás elementos posterior al evento sísmico. 14
Las secciones utilizadas en el diseño cumplen con las especificaciones de los códigos de acero y hormigón que rigen en el país. Utilizar secciones compuestas de acero rellenas de hormigón permite optimizar el diseño estructural si se usan criterios adecuados. La máxima deriva para sismo +/- excentricidad (0.05B) en la dirección x para es de 0.001595 y ocurre en el piso 6. La máxima deriva para sismo +/- excentricidad (0.05B) es de 0.00043 y ocurre en el piso 6. En cuanto a las derivas, la deriva permitida por el código es muy grande, si se diseña para la misma los daños en la estructura luego de un evento sísmico serán muy grandes ya que la deriva de 0.02 indica flexibilidad del edificio. A una menor deriva, más rigidez de los elementos estructurales y por tanto menor daño. El periodo del programa sin paredes se le debe corregir por un factor, para el presente edificio con diafragmas se tomó un valor de 0.8, ya que estas afectan directamente al periodo del edificio. En cuanto a las solicitaciones, las vigas principales reciben los mayores momentos ya que son las más cargadas. Lo calculado en el prediseño y lo observado de los valores del cálculo en el programa se puede observar que se cumplen las solicitaciones. Viga principal (I50x0.6x15x1.2): Momento resistente = 41.08 Tonf-m, Momento Solicitado = 30.93 Tonf-m, lo que nos indica que aún queda reserva en la viga en caso de un sismo más grande. En cuanto a las solicitaciones, las columnas compuestas interiores reciben mayor carga axial ya que son las que poseen mayor área colaborante. Lo calculado en el prediseño y lo observado de los valores del cálculo en el programa se puede observar que se cumplen las solicitaciones. Columna interior principal: Carga axial = 1135 Tonf-m, Momento Solicitado = 666.67 Tonf-m, lo que nos indica que aún queda reserva en la columna en caso de un sismo más grande. (Esto haciéndole trabajar a menos de 40% de su capacidad axial) Debido al uso de diafragmas en el edificio, las solicitaciones de momento para las columnas son pequeñas por lo cual se concluye que al usar diafragmas las secciones de los elementos del pórtico pueden ser optimizados. Realizando el diseño en el programa, las columnas compuestas tienen una relación resistencia/demanda baja. Para las vigas se debe tomar en cuenta la esbeltez ya que su longitud es mayor que la de las columnas, y se debe evitar que exista pandeo local, por flexión o por flexotorsión. En el modelo no se tomó en cuenta la resistencia adicional que proporciona la loseta de hormigón a las vigas por lo cual a pesar de que en el diseño algunas vigas estén trabajando a su máxima capacidad, si se considera la loseta no lo harán. Se debe tomar en cuenta todos los parámetros necesarios al iniciar el diseño en el programa, ya que la variación de los mismos pueden alterar de gran manera el resultado final de las relaciones resistencia/demanda. 15
