ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN EDIFICIO DE ACERO DE 5 PISOS

Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Nacional de San Agustín

Debido al gran desempeño del acero en la construcción y su utilización creciente, así como su predictibilidad de comportamiento tenemos el agrado de desarrollar un ejemplo de un proyecto de edificación en acero, con el cual esperamos contribuir al desarrollo del conocimiento local.

Es muy sabido que ante un sismo es el sistema que mejor responde pues los elementos que resulten dañados pueden ser reemplazados o reparados fácilmente.

Es necesario recalcar que su concepción estructural es fundamental, y que su estabilidad no sólo dependerá del análisis estructural sino también de su capacidad de absorber y disipar energía.

CAPÍTULO I

I. INTRODUCCIÓN

Localmente no tenemos un abastecedor a gran escala de lo que es los perfiles de acero , salvo casos de abastecimiento nacional especiales por ello el estudio de los aceros los haremos bajo los lineamientos vigentes de fabricación y diseño del Instituto Americano de la Construcción en Acero A. I. S. C. Para este trabajo y con fines académicos supondremos la mayoría de datos que se requieren para el análisis de un estructura (No se debe tomar esto a la ligera!).Además utilizaremos un programa (basado en MEF) con un amplio uso en la actualidad por su amplia aplicación: ETABS de la compañía CSI (Computer & Structures Inc.)

1.1. Descripción de la Estructura:

La estructura estará conformada por:

Vigas principales (TRABES) y perimetrales: W18X86 Vigas Secundarias W14X53 Columnas W30X211

Revestidas de Dry Wall para contribuir a su protección contra el fuego.

Debido a que Arequipa es altamente sísmica se considerará este factor importante en el Análisis Estructural Estático, y por lo que colocaremos arriostres diagonales en la estructura.

El sistema de entrepiso (apoyado en vigas secundarias) estará conformado por un sistema mixto :

- Losa de concreto- Placa de acero, que son placas acanaladas que son llamadas steel-

deck

Con una sobrecarga de 250 kg/cm².

La mayoría de las zapatas serán aisladas.

1.2. ESPECIFICACIONES

1.2.1. Dimensiones

Tendrá un largo de 46 m., un ancho de 38 m. y una altura respecto al nivel de calzada de 17.5 m., una altura de pisos de 3.50m, con una altura libre entre pisos de 2.60m.

1.2.2. Materiales

Perfiles estructurales, anclas, conectores ASTM A36

Tornillos, conexiones de la estructura ASTM A325N

Pernos de anclaje ASTM A 490

Laminada Acalonada Steel-Deck ASTM A653

Soldadura de taller E-60XX ASTM A36

Soldadura de campo E-70XX ASTM A36

Acero de Refuerzo ASTM A-185-56

Concreto de Cemento Portland

1.2.3. Juntas y Conexiones

Las conexiones se harán de forma semirrígida, los extremos de la viga estarán conectados a la columna solamente a cortante y son libres para girar bajo sus cargas. A continuación veremos los tipos de conexiones:

La primera es una conexión simplemente articulada, la segunda es una semirrígida y la tercera es una Northridge (que contiene atiesadores).

1.2.4 Diseños y Normas

Tipo de diseño será a la rotura, tanto en el edificio como en la estructura de acero, sistemas de entrepiso y demás.

Estructura de acero AISC

Soldadura AWS

Tornillos y refuerzos de acero ASTM-AISC

Estructuras de concreto (cimentación y losa de techo otras)

REGLAMENTA NACIONAL DE EDIFICACIONES

Norma Peruana de Cargas E020

Norma Peruana de diseño sismo resistente E030

Suelos y cimentaciones E050

Concreto Armado E060

Cargas Gravitacionales y accidentales AISC

1.2.5 CARGAS DE DISEÑO

A) CARGA MUERTA

Son las cargas de los elementos permanentes de la estructura. Por ejemplo el peso de las columnas, de los arriostres, losas y otras cargas permanentes.

B) CARGA VIVA

Cargas que varían en el tiempo y que se determina por la función y uso del edificio.

OFICINAS: 250 kg/cm² exceptuando sala de archivos y bibliotecas.

Reglamento Nacional de Edificaciones Norma E020.

C) CARGA DE VIENTO

Se manifiesta como presiones y succiones. En edificios por ser muy pesados, el diseño es generalmente controlado por las cargas de sismos.

D) CARGAS DE SISMOS

Están en relación a su masa y elevación a partir del suelo así como a la aceleración del terreno y la capacidad para disipar energía de la estructura.

Se puede determinar como fuerzas estáticas horizontales aplicadas a las masas de las estructuras.

Siempre se culmina haciendo un Análisis Dinámico para determinar las Fuerzas Máximas a las cuales estará sometida la estructura.

1.3. ESTRUCTURACIÓN

1.3.1. ¿Qué es?

Es la decisión más importante en el diseño puesto que de ella dependerá el funcionamiento en conjunto y el mejor aprovechamiento de los recursos de cada elemento estructural.

1.3.2. Alcance

Fijaremos los principales criterios de estabilidad y funcionamiento de acuerdo con las siguientes condiciones:

Perfiles y Materiales:

- Sistema de Entrepiso Concreto + lámina de acero

- Estructura Acero Estructural

- Fachadas y recubrimientos Dry Wall

- Anclaje en Cimentación Acero Estructural

- Cimentaciones Concreto Armado

-CONEXIONES EN JUNTAS SUPERIORES (Ligadas al tipo de construcción)

TIPO I Pórticos con conexiones resistente a momentos

TIPO II Estructura simple, sin rigidez de extremos libres, flexible, convencional.

TIPO II Estructura semirrígida, parcialmente empotrada.

1.3.3. Concepción Estructural

Se basa en satisfacer los requerimientos de resistencia y rigidez.

Se elige un sistema dual, un pórtico de momentos con arriostramientos, la interacción de los arriostres con los pórticos de momentos produce la combinación de dos curvas de deflexión con una mayor eficiencia en rigidez es considerado el más económico en edificios de hasta 50 pisos. (Structural engineering, Chen)

a) Configuración y simplicidadUna parte de la resistencia a fuerzas laterales viene dada por la configuración en planta del edificio, el objetivo es conseguir simetría en los dos ejes y también en los elementos resistentes a fuerzas laterales (columna elementos laterales, muros de arriostre, muros de corte), y también debemos minimizar la torsión.

b) Formación de Rótulas plásticas en la VigaL a formación de rótulas plásticas en las columnas es indeseable y tal efecto conduciría a una daño local en los elementos que trabajan por cargas críticas de gravedad, provocando la falla de la zona, lo cual conduciría a una reducción substancial en el esfuerzo resistente a las fuerzas laterales de la estructura llevando a la inestabilidad y posterior colapso.

Se logrará mediante el refuerzo de la conexión (cubre placas o cartelas) reduciendo localmente la sección de la viga.

CAPÍTULO II: PRE DIMENSIONAMIENTO

Peso específico el agua 1000 kg/cm²Peso específico del CºAº 2400 kg/cm²Peso de los muros de Dry Wall 30 kg/cm²Peso específico del Acero 7850 kg/cm²Peso del Piso terminado más cielo raso

100 kg/cm²

I. Pre dimensionamiento y metrado de cargas de vigas secundarias.

Para el metrado consideramos un paño critico de 10mx10m y ancho de influencia de 2.5m.CARGA MUERTALosa Steel deck (e = 12cm.) 250kg/m2Piso Terminado 100kg/cm2Tabiqueria Drywall 30kg/cm2Falso Techo 7.5kg/cm2CM = 387.5kg/cm2CARGA VIVAS/C (pisos intermedios e inferior) 250kg/cm2S/C (piso final) 100kg/cm2CV = 250kg/cm2

Combinaciones de cargaU = 1.4CM 1.36ton/mU = 1.2CM+1.6CV 2.16ton/mM = w*L2/8Z = M/(φ*Fy)Z = 72.53 in3

Se elige el perfil W14x53 con Z = 87.1in3. Se verifica el peso de la vigaU = 1.4*D =1.4*53 = 74.2 lb/ft = 0.0742kipM1 = 0.0742*(10/0.305)2 = 9.98kip*ftZ1 = M1/(φ*Fy) = 3.70in3

Z + Z1 ≤ Zx80.49in3 ≤ 87.1in3 ok

II. Metrado de cargas de TechoSe tomara un paño de 10mx10m.

Losa Steel deck (e = 12cm.) 250kg/m2Piso Terminado 100kg/m2Tabiqueria Drywall 30kg/m2Peso de las vigas secundarias 23.652kg/m2Falso techo 15kg/m2

CM = 418.652 kg/m2Cargas de techos de cualquier piso menos el ultimo:CMt = 418.652kg/m2*10m = 4.19tonf/mCV = 250kg/m2*10m = 4.19tonf/m

Cargas de techo para el ultimo nivel:Losa Steel deck (e = 12cm.) 250kg/m2Falso techo 15kg/m2Peso de las vigas secundarias 23.652kg/m2Ladrillero pastelero 10kg/m2

CM = 298.652kg/m2*10m =2.99tonf/mCV = 100kg/m2*10m = 1.00tonf/m

III. Metrado de cargas para murosCM (muro) = 30kg/m2*2.6m = 78kg/mCM (vidrio) = 35kg/m2*3.0m = 105kg/mCMf = 0.183tonf/m

IV. Metrado de cargas vivasD = CMt + CMfD = 4.19 + 0.183 = 4.373tonf/mL = 2.50tonf/mU = 1.2*D+1.6*L = 9.25tonf/m

M = w*L2/8=115.625tonf*mZ = M/(φ*Fy)= 310.16in3

Y finalmente se elige el perfil W21x132 con un Z = 333m3

Se verifica el peso de la viga principal o trabe.Para su peso únicamente:U = 1.4*132 = 184.8lb/ftU = 184.8lb/ft M = 0.1848*(10/0.305)2/8 = 24.86klb*ftZ = M/(φ*Fy)=9.21in3

310.16 + 9.21<333in3

V. Metrado de ColumnasSe determinara las cargas para una columna en su punto mas critico.Carga Muerta:Area de influencia de 10mx10m4*(418.652kg/m2 )*(10)*(10)+298.652*10*10 = 197.326tonfMuros:Tabiqueria Drywall 2.6*30kg/cm2 = 78kg/mVigas: 19.836+4.68+197.326=221.642tonfLa carga viva en los 7 niveles es :LIVE = 250*10*10*4+10*10*10LIVE = 110tonf

Pu = 1.2*221.642+1.6*110 = 441.97tonfEscogemos el perfil más adecuado que en nuestro Caso es el W31x211

CAPITULO III: ANALISIS ESTRUCTURAL

El análisis estructural del edificio se hizo mediante un software de modelación de estructuras que es el programa ETABS en el cual introdujimos el modelo de la estructura que se muestra a continuación:

Se definió que las losas actuaran como diafragmas rígidos, se introdujo las cargas de diseño:

COMB 1 : 1.4D

COMB 2 : 1.2D +1.6L

COMB3 : 1.2D+0.5L+/- 1E (cuatro casos x pos, x neg, y pos, y neg)

COMB4 : 0.9D +/- E ( cuatro casos x pos, x neg, y pos, y neg)

Luego de tener el análisis Estructural se procedió al diseño mediante el uso del software MathCad donde se introdujeron los pasos a seguir para el diseño de los elementos sometido a diferentes aspectos como las vigas a flexión y las columnas a compresión flexo compresión axial.

CASOS DE CARGA ESTÁTICA

El tipo Reducible live nos indica que se puede variar la aplicación de las cargas, tal como está previsto en la normatividad (E030) para el análisis estático se considera un 50% de carga viva actuante en todos los pisos y un 25% de carga viva en azoteas.

CASOS DE CARGA PARA EL ANÁLISI DINÁMICO

Por ejemplo hemos definido las cargas:

SISMOXXPOS: Que significa un sismo (tipo QUAKE) en la dirección x con una excentricidad positiva de 5% (según normativa).

En la parte de Auto Lateral Load elegimos Usser coefficient pues nosotros ingresaremos los valores de la aceleración.

Para lo cual hemos hecho uso de una hoja diseñada especialmente para el caso en Microsoft Excel:

Para el parámetro de sitio según norma E030 tenemos que pertenecemos a la zona sísmica 3:

Con un perfil de suelo tipo S2 SUELOS INTERMEDIOS.

Para las juntas en la construcción en acero se dan aprox. A cada 50m por lo que nuestro edificio no tendrá juntas.

Para el análisis dinámico consideraremos:

C 1,03 0,40S2 0,60

1,20

9,51

9,5001,000

C T (s) ZUCS/R

2,50 0,00 0,1263

2,50 0,02 0,1263

2,50 0,04 0,1263

2,50 0,06 0,1263

2,50 0,08 0,1263

2,50 0,10 0,1263

2,50 0,12 0,1263

2,50 0,14 0,1263

2,50 0,16 0,1263

2,50 0,18 0,1263

2,50 0,20 0,1263

2,50 0,25 0,1263

2,50 0,30 0,1263

2,50 0,35 0,1263

2,50 0,40 0,1263

2,50 0,45 0,1263

2,50 0,50 0,1263

2,50 0,55 0,1263

2,50 0,60 0,1263

2,31 0,65 0,1166

2,14 0,70 0,1083

2,00 0,75 0,1011

1,88 0,80 0,0947

1,76 0,85 0,0892

1,67 0,90 0,0842

1,58 0,95 0,0798

1,50 1,00 0,0758

1,36 1,10 0,0689

1,25 1,20 0,0632

1,15 1,30 0,0583

1,07 1,40 0,0541

1,00 1,50 0,0505

0,94 1,60 0,0474

0,88 1,70 0,0446

0,83 1,80 0,0421

0,79 1,90 0,0399

0,75 2,00 0,0379

0,68 2,20 0,0344

0,63 2,40 0,0316

0,58 2,60 0,0291

0,54 2,80 0,0271

0,50 3,00 0,0253

0,38 4,00 0,0189

0,30 5,00 0,0152

0,25 6,00 0,0126

0,21 7,00 0,0108

0,19 8,00 0,0095

0,17 9,00 0,0084

0,15 10,00 0,0076

ESPECTRO DE SISMO SEGÚN NORMA E-030 2002

EstructReg(1),Irreg(2)

factor a escalar

R a usar =

UZ

Tp (s)

R

S

Categoria Edificio

Zona Sísmica

Tipo de Suelo

Coeficicente de red. Acero, Porticos Ductiles con Uniones Resistentes a Momentos

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00

ZU

CS

/R

PERIODO T

ESPECTRO DE SISMO NORMA E-030 2003

Sa

Los datos anteriormente hallados los exportamos en formato DELIMITADO POR TABULACIONES al Etabs.

En nuestro caso están ordenados de la forma Periodo-Valor.

Para definir los casos de espectro de respuesta llamaremos EQXX a una caso del tipo EARTHQUAKE (TERREMOTO) en la dirección especificada.

Y ahora definimos los casos de masa actuante en al análisis. El factor nos indica que porcentaje de la masa participará, y como lo indicamos según normatividad para pisos actuará el 50% de la carga viva y el 25% de la carga viva para azoteas. La carga muerta participará con el 100%.

Como estamos trabajando con el tercer caso entonces no incluimos las cargas por peso propio (TIPO DEAD) si no estaríamos duplicando los valores, pues ya considera este tipo esas cargas.

Definimos los combos:

Que son un desarrollo de:

COMB 1 : 1.4D

COMB 2 : 1.2D +1.6L

COMB3 : 1.2D+0.5L+/- 1E (cuatro casos x pos, x neg, y pos, y neg)

COMB4 : 0.9D +/- E ( cuatro casos x pos, x neg, y pos, y neg)

Asumiremos que es un diafragma rigido para definir un master point.

Y asignamos una malla de elementos finitos con un tamaño de malla de 1m

Primero checkeamos el modelo:

Luego corremos el programa.

Story Item Load Point X Y Z DriftX DriftY

STORY5 Diaph D1 X COMB1 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 Y COMB1 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 X COMB2 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 Y COMB2 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 X COMB3 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 Y COMB3 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 X COMB4 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 Y COMB4 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 X COMB5 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 Y COMB5 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 X COMB6 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 Y COMB6 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 X COMB7 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 Y COMB7 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 X COMB8 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 Y COMB8 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 X COMB9 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 Y COMB9 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 X COMB10 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 Y COMB10 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 X ENVOLVENTE 158 23,008 15,991 17,5 0STORY5 Diaph D1 Y ENVOLVENTE 158 23,008 15,991 17,5 0

ANÁLISIS POR CARGA DE VIENTO

Analizaremos cargas de viento en las dos direcciones principales de la estructura:

Del mapa eólico del Perú dado en la norma E020 (Cargas) obtenemos que aproximadamente para Arequipa:

v=80km /h

Con un factor de forma a dimensional de 0.8=C para superficies verticales de edificios en el barlovento y un -0.6=C para el lado el sotavento.

vh=v ( h10

)0.22

Ph=0.005∗C∗vh ²

Tomamos la presión más crítica: 32.747 kg/m2

Y lo reemplazamos en la mayor área: 805 m²

Ósea una fuerza total de 26.36 toneladas.

Comparando con la carga proveniente del sismo estático (que es menor que la por sismo en caso dinámico):

V=ZUCSP/R

C/R > 0.125

V:0.4*1*3*1.2*3700/9.5

Lo que hace una cortante aproximada de 560.842 tonf en la base lo que confirma nuestra suposición de descartar el análisis por viento.

C2 0.6v v1

h

10

0.22

v 90.481C 0.8

ph2 0.005C2 v2

ph 0.005C v2 ph 32.747

ph2 24.561

v1 80

h 3.5 5

Fviento 2.636 104

CAPITULO IV: DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES

5.1.- DISEÑO DE LA PLACA COLABORANTE.-

DIMENSIONAMIENTO DE LA PLACA COLABORANTE

Dado que utilizaremos una losa colaborante, el principal parámetro para el dimensionamiento será la longitud del paño. El peralte de la losa se obtiene a través de las tablas de los distintos proveedores presentes en el mercado, en nuestro caso usamos losas colaborantes de Acero Deck.Otro factor a considerar en la selección de la losa es la sobrecarga actuante, la sobrecarga es de 250Kg/m2.A continuación mostramos las características de la losa seleccionada.

Tenemos que el espesor de nuestra placa colaborante será de 14 centímetros.

Insertamos al Etabs entonces los datos de nuestra Placa colaborante.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN AREQUIPA

FACULTA DE INGENIERIA CIVIL

Curso: Diseño en Acero y Madera.

Trabajo: Análisis y Diseño en acero de un edificio de 5 pisos.

Docente: Ing. Fidel Copa Pineda

Alumnos:

Cuno Huaracha Rubén Darío

Huamanchoque Puma Edin Holber

Sacasqui Huaito Esteban

I- Semestre 2011

Fecha: 19/09/11