diseño estructural de concreto armado 5 niveles

ING. FREDY LUIS TALACE MARTINEZ

CONCRETO ARMADO I

13/09/2015

“Año de la Diversificación Productiva y del Fortalecimiento de la Educación””

UNIVERSIDAD PRIVADA DE TACNA

DISEÑO ESTRUCTURAL EN CONCRETO ARMADO DE UN

EDIFICIO DE CINCO NIVELES

FA

ING

Jean Marco Leonel Labra

Tacna, 13 de Septiembre de 2015

GR

UP

O “

B”

13 de septiembre de 2015

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DISEÑO ESTRUCTURAL EN CONCRETO ARMADO DE UN EDIFICIO DE CINCO NIVELES


INTRODUCCION

El objetico del presente trabajo es realizar el análisis estructural de un edificio y diseñar los

principales elementos estructurales; así de esta manera recordar, organizar y completar,

bajo una forma de aplicación práctica, los conocimientos adquiridos en los diversos cursos

básicos de la carrera, en mayor medida el curso de Concreto Armado I para el cual se está

realizando el presente trabajo.

El edificio de concreto armado es del tipo aporticado, es decir está formada por una matriz

aporticada netamente para así emplear y profundizar más aun en los temas tocados a lo

largo del curso; tiene cinco niveles. El área es de 273 𝑚2 (13 m. x 21 m.).

Se procedió a estructurar y predimensionar los elementos estructurales definiéndolos tanto

en ubicación como en dimensión, cabe mencionar que al realizar el Análisis Estructural

Dinámico Modal Espectral con la norma E-030 se incrementaron un poco en su tamaño

como en su forma (en caso de las columnas) a las secciones halladas en el

predimensionamiento para cumplir con lo especificado en el Reglamento Nacional de

Edificaciones, de tal manera de lograr una estructura segura y funcional.

Después se realizó el metrado de cargas de los distintos elementos estructurales, de

acuerdo al Reglamento Nacional de Edificaciones E-020 CARGAS.

Teniendo entonces el modelo estructural y el metrado de cargas se procedió a realizar el

análisis estructural dividido en dos partes: el análisis sísmico y el vertical. El análisis

sísmico se hizo mediante el programa de análisis estructural “ETABS 2015” desarrollado por Computers and Structures Inc. “CSI”, dicho programa realiza el análisis mediantes un

modelo tridimensional de la estructura.

Terminando el análisis estructural de efectuó el diseño en concreto armado de los

elementos estructurales principales. El diseño se realizó en base a las disposiciones

indicadas en la norma de Concreto Armado E-060 del Reglamento Nacional de

Edificaciones.


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OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERALES

El objetivo general del presente trabajo es realizar el análisis estructural y diseño

de la losa aligerada, vigas y columnas del segundo piso de un edificio de cinco

niveles.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Realizar el análisis estructural del edificio por cagas sísmicas y verticales.

Diseñar los principales elementos estructurales: aligerados, vigas y columnas con

los conocimientos adquiridos en el curso.

Ampliar los conocimientos sobre el tema, complementando lo aprendido a lo largo

del semestre.

Elaborar correctamente los planos estructurales, que reflejan el trabajo que todo

ingeniero civil realiza en el campo del diseño.


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Lugar de Construcción :

Uso :

UBICACIÓN Y USO DE LA EDIFICACION

Tacna

Biblioteca

Perímetro = 68 ml

Area del Terreno = 273 m2

Area Techada = 248 m2

Altura de Entrepiso = 3 m

N° de Niveles = 5

CARACTERISTICAS GEOMETRICAS

DE LA EDIFICACION

1.1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

El presente trabajo es para realizar el diseño estructural en concreto armado de una

edificación de cinco pisos con un sistema netamente aporticado, las distancias entre los ejes

fueron determinadas por el docente a cargo del curso, el uso que se dará a la edificación, la

ubicación, el tipo de suelo en el que esta deba construirse y los demás datos que se

requieran para elaborar el presente trabajo se asumirán en concordancia con las

características y requerimientos propuestos en clases. La ubicación y uso de la edificación

se muestran en el cuadro 1.1.

1.2 CARACTERISTICAS DE LA EDIFICACION

El tema de desarrollo consiste en un edificio de cinco niveles, todos son pisos típicos.

Las dimensiones entre los ejes se muestran en la figura 1, en base a esto se procedió a

estructurar y a predimensionar los elementos estructurales para su posterior análisis y

diseño.

Según la sobrecarga con la que se trabajara se vio conveniente se asumió que el uso de la

edificación será destinada a para una biblioteca sin una distribución arquitectónica definida

en un terreno de 273 𝑚2. La altura de entrepiso será de 3.00 𝑚 con una área techada de 248 𝑚2 que incluye áreas comunes. Todas las características geométricas de la edificación

se muestran en el cuadro 1.2.

CAPÍTULO I

Aspectos Generales

Cuadro 1.2

Cuadro 1.1


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1.3 NORMAS EMPLEADAS

Las cargas de gravedad y de sismo que se utilizaran para el análisis estructural y en

el diseño de los diferentes elementos estructurales, deberán cumplir con lo señalado en el

Reglamento Nacional de Edificaciones R.N.E. en la Norma Técnica de Edificaciones E-0.20

de Cargas, E-030 de Diseño Sismoresistente y E-060 de Concreto Armado.

1.4 CARGAS DE DISEÑO

La Norma Técnica E-020 recomienda valores mínimos para las cargas que se deben

considerar en el diseño de una estructura, dependiendo del uso al cual está diseñada la

misma. Las cargas a considerar son las denominadas: muertas, vivas y de sismo.

Consideramos como carga muerta (CM) al peso de los materiales, equipos, tabiques y otros

elementos soportados por la estructura, incluyendo su peso propio que se suponen serán

permanentes. Como carga viva (CV), al peso de los ocupantes, materiales equipo, muebles

y otros elementos móviles. Finalmente las cargas de sismo (CS) son aquellas que se

generan debido a la acción sísmica sobre la estructura.

Los elementos de concreto armado de la estructura están diseñados mediante el método de

diseño por resistencia. Este consiste en amplificar las cargas actuantes o de servicio

Figura 1.1: Vista en planta, distancia entre ejes


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Solici tación

- Flexión

- Tracción y Tracción + Flexión

- Cortante

- Torsión

- Cortante y Torsión

- Compresión y Flexocompresión

Elementos con espirales

Elementos con estribos

FACTORES DE REDUCCION DE RESISTENCIA

Factor de Reducción

0.90

0.90

0.85

0.85

0.85

0.75

0.70

mediante factores y reducir la resistencia teórica de los elementos considerando factores de

reducción.

En la Norma E-060 del Reglamento Nacional de Edificaciones R.N.E. se establece la

combinación de cargas actuantes con sus respectivos factores de amplificación, siendo

éstas las siguientes:

Además, el reglamento establece factores de reducción de resistencia en los siguientes

casos:

Resumiendo, para el diseño de los elementos estructurales se debe cumplir que:

1.5 MATERIALES

Para realizar el diseño se han considerado los siguientes materiales:

i) Acero de Refuerzo: Se usaran barras de acero corrugado del tipo Grado 60.

Las principales propiedades de estas barras son las siguientes:

Cuadro 1.3

Dónde: CM: Carga Muerta

CV: Carga Viva

CS: Carga de Sismo

Cuadro 1.4

Resistencia de Diseño ≥ Resistencia Requerida (U)

Resistencia de Diseño = ϕ Resistencia Nominal

COMBINACIONES DE CARGAS PARA

DISEÑO = . . = . = .

Límite de Fluencia: f ′y = 4 200 kg cm2⁄

Módulo de Elasticidad: E = 2 000 000 kg cm2⁄


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ii) Concreto Armado: Llamado así al concreto que tiene acero corrugado de

refuerzo para que, actuando ambos como un solo material, puedan resistir los

esfuerzos aplicados a los elementos estructurales. Sus propiedades varían de

acuerdo al tipo de concreto y acero:

COMPONENTES DEL CONCRETO ARMADO

- Cemento Portland.- El cemento a usarse para la preparación del

concreto será Cemento Portland, el cual debe cumplir los requisitos

impuestos por el ITINTEC para cemento Portland del Perú.

- Agua.- El agua a emplearse en la preparación del concreto debe

encontrarse libre de materia orgánica, fango, sales ácidos y otras

impurezas y si se tiene duda del agua a emplear realizar los ensayos

químicos de determinación de la calidad.

- Agregados.- Son primordiales en los agregados las características de

densidad, resistencia, porosidad y la distribución volumétrica de las

partículas llamada también granulometría o gradación.

- Aditivos.- Se usarán de acuerdo a las modificaciones de las

propiedades del concreto que uno desee menos la resistencia, los

aditivos son muy sensitivos y dependen de la arena, piedra, agua y

cemento que se utilicen.

Peso Unitario: Pu = 2 400 kg m3⁄

Resistencia especificada a la compresión: f ′y = 4 200 kg cm2⁄

Módulo de Poisson: Vc = 0.2

Módulo de Elasticidad: E = 15 000 √f′c = 217 370.65 kg cm2⁄


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2.1 CRITERIOS DE ESTRUCTURACION

La estructuración consiste en definir la ubicación y las características de todos los

elementos estructurales, tales como las losas aligeradas, vigas y columnas de tal forma que

el edificio tenga un buen comportamiento ante solicitaciones de cargas de gravedad y de

sismo.

La estructuración de ser lo más simple posible, no para facilitar los cálculos, sino porque la

estructuración simple va a tener un mejor comportamiento sísmico.

Por lo tanto es muy recomendable seguir los siguientes criterios de estructuración para

lograr una estructura Sismoresistente:

SIMPLICIDAD Y SIMETRIA

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; y segundo, nuestra habilidad para idealizar los elementos estructurales es

mayor para las estructuras simples que para las complicadas.

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.

RESISTENCIA Y DUCTILIDAD

Las estructuras deben tener resistencia sísmica adecuada por lo menos en dos

direcciones ortogonales o aproximadamente ortogonales, de tal manera que se

garantice la estabilidad tanto de la estructura como un todo, como de cada una de sus

elementos.

Las cargas deben transferirse desde su punto de aplicación hasta su punto final de

resistencia.

La característica fundamental de la solicitación sísmica es su eventualidad; 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.

CAPÍTULO II

Estructuración y Predimensionamiento


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Esto requiere preparar a la estructura para ingresar en una etapa plástica, sin que se

llegue a la falla.

Otro antecedente importante que debe ser tomado en cuenta en la concepción de

estructura aporticadas, es la ubicación de las rótulas plásticas. El diseño debe tender

a que estas se produzcan en los elementos que contribuyan menos a la estabilidad

de la estructura, por esta razón, es conveniente que se produzcan en las vigas antes

que en las columnas.

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.

HIPERESTATICIDAD Y MONOLITISMO

Como concepto general de diseño Sismoresistente, debe indicarse la conveniencia de

que las estructuras tengan una disposición hiperestática; ello logra una mayor

capacidad resistente.

En el diseño de estructuras donde el sistema de resistencia sísmica no sea

hiperestático, en necesario tener en cuenta el efecto adverso que implicaría la falla de

uno de los elementos o conexiones en la estabilidad de la estructura.

UNIFORMIDAD Y CONTINUIDAD DE LA ESTRUCTURA

La estructura debe ser continua tanto en planta como en elevación, con elementos

que no cambien bruscamente su rigidez, para evitar la concentración de esfuerzos.

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 estructuras flexibles tienen la ventaja de ser más fáciles de analizar y de alcanzar

la ductilidad deseada. Sus desventajas son: que el pórtico flexible tiene dificultades en

el proceso constructivo ya que puede existir gran congestionamiento de acero en los

nudos, que los elementos no estructurales pueden invalidar el análisis ya que al ser

difíciles de separar completamente de la estructura es posible que introduzcan una

distribución diferente de esfuerzos y que las deformaciones son significativas siendo

a menudo excesivas.

Las estructuras rígidas tienen la ventaja de no tener mayores problemas constructivos

y no tener que aislar y detallar cuidadosamente los elementos no estructurales, pero

poseen la desventaja de no alcanzar ductilidades elevadas y su análisis es más

complicado.


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Actualmente es práctica generalizada la inclusión de muros de corte en edificios

aporticados a fin de tener una combinación de elementos rígidos y flexibles. Con esto

se consigue que el muro limite la flexibilidad del pórtico, disminuyendo las

deformaciones, en tanto que el pórtico le confiere la hiperestaticidad al muro,

otorgándole mejor posibilidad de disipación de energía sísmica.

EXISTENCIA DE LOSAS QUE PERMITEN CONSIDERAR A LA ESTRUCTURA

COMO UNA UNIDAD (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 fuerzas horizontales aplicadas pueden distribuirse en las columnas de

acuerdo a su rigidez lateral, manteniendo todas una misma deformación lateral para

un determinado nivel.

ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES

Otro aspecto que debe ser tomado en cuenta en una estructuración es la influencia

de los elementos secundarios.

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.

Si la estructura es rígida, estando conformada por muros de concreto (placas) y

pórticos es probable que la rigidez de los tabiques de ladrillo sea pequeña en

comparación con la de los elementos de concreto armado; en estos casos, despreciar

en el análisis los tabiques no será tan importante.

2.2 ESTRUCTURACION

Se ha buscado una disposición apropiada de los distintos elementos resistentes, de

tal forma que la estructura sea capaz de soportar todas las solicitaciones a las que sea sujeta

en su vida útil y a la vez sea también estética, funcional y económica.

Se usó losas aligeradas que son las más comunes en nuestro país, por las siguientes

razones:

El hecho de empotrar las tuberías de desagüe en la losa, lo cual obliga a usar como

mínimo espesores de 17 y/o 20 𝑐𝑚. Una losa maciza de este peralte es demasiado

cara y pesada.

El hecho que la mano de obra sea relativamente económica hace que el costo de la

colocación del ladrillo hueco no influya en el costo total de la obra.

El menor costo de un encofrado para losas aligeradas en relación a los encofrados

de las demás losas.

El criterio práctico y la experiencia adquirida por muchos expertos en diseño de

concreto armado indica que una losa aligerada es económica hasta una luz de 7 𝑚

aproximadamente.

Se ha techado en la dirección de menor longitud, con la finalidad de evitar que los

esfuerzos por flexión y cortante y las deformaciones sean de gran magnitud.

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