SISTEMAS ESTRUCTURALES

Objetivo General

Realizar el clculo y diseo estructural de COCINA CDI COMUNA 4 YUMBO, Yumbo, Valle del Cauca, de acuerdo a las especificaciones del NSR-10.

Objetivos Especficos

-Plantear la alternativa de diseo Estructural-Especificar propiedades materiales a utilizar.-Predimensionar los elementos estructurales -Realizar el Anlisis Ssmico-Determinar las solicitaciones y casos de carga ms desfavorables actuantes en los elementos estructurales.-Llevar a cabo el anlisis estructural-Evaluar las irregularidades de la estructura-Disear los elementos Estructurales-Realizar los planos estructurales

Justificacin

El proyecto es solicitado por U.T CDI YUMBO. El diseo estructural debe resistir las solicitaciones esperadas, de acuerdo al sitio y uso, que exige el NSR-10. Se har una evaluacin ante cargas verticales y fuerzas ssmicas.

Alcance

La estructura tiene un sistema de muros de carga en mampostera estructural, tiene 166.56 m2, la cubierta consiste en una teja termoacustica y perlines metlicos, una parte de la cubierta es una losa de concreto de 10 cm de espesor. La cimentacin consiste en vigas corridas para muros estructurales, sobre un ciclpeo y zapata aislada con viga de equilibrio para la parte de prticos.

Se realiza el diseo por el mtodo de la resistencia ltima, siguiendo los lineamientos del Ttulo A, B, C, D y F del NSR-10, donde se multiplican las solicitaciones por los respectivos factores de mayoracin de cargas y se reduce la resistencia de los materiales con los respectivos coeficientes de reduccin de resistencia segn sea el acaso, con esto se hacen las combinaciones de carga.

La determinacin de las fuerzas de corte, momento y fuerza axial se realizan con el programa ETABS y sus esfuerzos producidos en las diferentes secciones transversales.

1.SISTEMA ESTRUCTURAL

Se reconocen 4 tipos de sistemas estructurales de resistencia ssmica. Cada uno de ellos se subdivide segn los tipos de elementos verticales utilizados para resistir las fuerzas ssmicas y gravitacionales y el grado de capacidad de disipacin de energa del material estructural empleado.

A.3.2.1.1 Sistema de muros de carga Es un sistema estructural que no dispone de un prtico esencialmente completo y en el cual las cargas verticales son resistidas por los muros de carga y las fuerzas horizontales son resistidas por muros estructurales o prticos con diagonales. Vase la tabla A.3-1.

Figura 1. Modelo estructural

El mtodo de anlisis a utilizar es el anlisis dinmico elstico, que segn el A.3.4.2 (NSR-10) permite analizar casi cualquier tipo de edificacin. Dentro del anlisis dinmico, se utilizar el anlisis dinmico elstico espectral, cumpliendo con los requisitos del ttulo A.5.4. Las fuerzas ssmicas de diseo se introducirn por medio del espectro elstico de diseo definido en el A.2 NSR-10.

De acuerdo a la zona de Amenaza Ssmica, al tipo de material estructural, y las caractersticas del sistema de resistencia ssmica se estableci el grado de disipacin de energa como especial DES, el cual debe cumplir con los requisitos segn el nivel de amenaza ssmica, efectos locales e importancia de la estructura.

2. DEFINICIN DE MATERIALES, ELEMENTOS Y CARGAS

2.1 Evaluacin De Cargas

Mampostera Estructural

Figura 2. Carga muerta losa y perfiles

Figura 3. Carga viva Lr losa y perfiles

Figura 2. Carga viento

2.3 Propiedades Mecnicas de los Materiales

2.3.1 Concreto

Se usar concreto a los 28 das en cilindros normales y con condiciones de curado de laboratorio en:

Zapatas, Vigas de cimentacin, dinteles, losas, vigas de amarre: Concreto con fc = 3000 psi = 21 MPa = 210 kgf / cm.

Mdulo de elasticidad (Cap. C.8.5, NSR-10) Ec = 21540 MPa.

Columnas: Concreto con fc = 4000 psi = 28 MPa = 280 kgf / cm.

Mdulo de elasticidad (Cap. C.8.5, NSR-10) Ec = 24870 MPa.

2.3.2 Mampostera Estructural

- Sistema: Mampostera reforzada.- Unidad de mampostera: Bloque 2910x12 cm.- Relacin rea neta / rea bruta de las unidades de mampostera: 0.56- Ancho equivalente Bloque 8 cm dovelas @120, recubrimientos 5.4 cm, - Ancho equivalente 12 cm todas las celdas llenas- Factor de correccin por absorcin Kp : 0.8- Rm [NSR-10 Ecuacin D.3-1] = 13.3 MPa- Altura de la unidad de mampostera 19 cm- Mortero de pega Tipo M- Resistencia unidad de mampostera f'cu = 30 MPa- Resistencia mortero de pega f'cp: 17.5 MPa- Resistencia mortero de inyeccin f'cr= 1.5*10=15 MPa- f 'm cuando hay celdas con mortero de inyeccin =100.0 Kgf/cm = 10 MPa- Modulo de elasticidad de la mampostera Em = 90000 Kgf/cm = 9.0 GPa- Relacin de Poisson = 0.25

2.3.2 RefuerzoEl refuerzo para el diseo a momento flector como a cortante vertical debe tener un esfuerzo de fluencia igual a fy = 60.000 psi

2.4 Mdulos de reaccin del suelo

El sistema de fundacin adecuado a las condiciones tcnicas del proyecto, segn el estudio geotcnico corresponde a cimentacin profunda de pilotes pre-excavados fundidos en sitio con mquina del tipo recto y vigas de cimentacin modeladas como vigas areas. A continuacin se presentan los mdulos de reaccin lateral, Ksh y el mdulo de reaccin vertical en la punta, Ksp.

Tabla 1. Parmetros de diseo elstico

3. ANLISIS DINMICO

3.1 Efectos Ssmicos Locales y Zona de amenaza Ssmica

La edificacin se encuentra localizada en municipio de Yumbo, y segn el Mapa de Amenaza Ssmica, Numeral A.2.3 de la NSR-10, este municipio est localizado en una zona de amenaza ssmica alta. El valor de la aceleracin pico efectiva, segn el presente reglamento es Aa =0.25, Coeficiente de Velocidad Av=0.25, suelo tipo D, Fa=1.3, Fv=1.9, coeficiente de importancia III=1.25.

Le edificacin se clasifica como grupo de uso IV, de acuerdo al captulo A.2.5 y A.12 NSR-10.

A.2.5 COEFICIENTE DE IMPORTANCIAEn esta seccin se definen los grupos de tipo de uso y los valores del coeficiente de importancia.

A.2.5.1 GRUPOS DE USO Todas las edificaciones deben clasificarse dentro de uno de los siguientes Grupos de Uso:

A.2.5.1.1 Grupo IV Edificaciones indispensables Son aquellas edificaciones de atencin a la comunidad que deben funcionar durante y despus de un sismo, y cuya operacin no puede ser trasladada rpidamente a un lugar alterno. Este grupo debe incluir:

(a) Todas las edificaciones que componen hospitales clnicas y centros de salud que dispongan de servicios de ciruga, salas de cuidados intensivos, salas de neonatos y/o atencin de urgencias(b) Todas las edificaciones que componen aeropuertos, estaciones ferroviarias y de sistemas masivos de transporte, centrales telefnicas, de telecomunicacin y de radiodifusin,(c) Edificaciones designadas como refugios para emergencias, centrales de aeronavegacin, hangares de aeronaves de servicios de emergencia,(d) Edificaciones de centrales de operacin y control de lneas vitales de energa elctrica, agua, combustibles, informacin y transporte de personas y productos,(e) Edificaciones que contengan agentes explosivos, txicos y dainos para el pblico, y (f) En el grupo IV deben incluirse las estructuras que alberguen plantas de generacin elctrica de emergencia, los tanques y estructuras que formen parte de sus sistemas contra incendio, y los accesos, peatonales y vehiculares de las edificaciones tipificadas en los literales a, b, c, d y e del presente numeral.

A.12.1 GENERAL

A.12.1.1 PROPSITO El presente Captulo contiene los requisitos adicionales, a los contenidos en los captulos restantes del presente Ttulo, que se deben cumplir en el diseo y construccin sismo resistente de las edificaciones pertenecientes al grupo de uso IV, definido en A.2.5.1.1, y las incluidas en los literales (a), (b), (c) y (d) del grupo de uso III, tal como lo define A.2.5.1.2, esenciales para la recuperacin de la comunidad con posterioridad a la ocurrencia de una emergencia, incluyendo un sismo, con el fin de garantizar que puedan operar durante y despus de la ocurrencia de un temblor, con el fin de garantizar que puedan operar durante y despus de la ocurrencia de un temblor. En relacin con las edificaciones incluidas en los literales (e) y (f) del Grupo III, como lo define A.2.5.1.2, queda a decisin del propietario en el primer caso o de la autoridad competente en el segundo definir si se requiere adelantar el diseo de ellas segn los requisitos especiales del Captulo A.12.

A.12.1.2 ALCANCE Los requisitos del presente Captulo deben emplearse en el diseo de las edificaciones indispensables enumeradas en A.2.5.1.1, las incluidas en los literales (a), (b), (c) y (d) del grupo de Uso III, tal como lo define A.2.5.1.2 y de las dems que la comunidad designe como tales.

Figura 4.14 Zona de Amenaza

El valor del coeficiente de capacidad de disipacin de energa para ser empleado en el diseo, corresponde al coeficiente de disipacin de energa bsico, Ro, multiplicado por el menor valor de los coeficientes de reduccin de capacidad de disipacin de energa por irregularidades en altura y en planta (R = a p r Ro) de acuerdo tambin al A.3.3.3. Debido a que el sistema estructural es de Muros de mampostera reforzada de bloque de perforacin vertical (DES), se toma R=5.5, segn la Tabla A.3-4 del NSR-10, para una estructura con capacidad de disipacin de energa especial.

Segn el A.3.1.1 las fuerzas ssmicas obtenidas del anlisis Fs, se reducen, dividindolas por el coeficiente de capacidad de disipacin de energa, R, correspondiente al sistema estructural de resistencia ssmica, para obtener las fuerzas ssmicas reducidas de diseo (E = Fs / R) que se emplean en las combinaciones de carga prescritas en el Ttulo B.

Se us el espectro del NSR-10 para el diseo de los elementos estructurales, se suponen los efectos ortogonales de la fuerza ssmica representada por el espectro, suponiendo la ocurrencia simultnea del 100% de la fuerza ssmica en una direccin y el 30% de la fuerza ssmica en la direccin perpendicular, e intercalando con positivas y negativas para un total de 30 combinaciones de carga, adems de las combinaciones con las cargas se servicio.

Grfica 1. Espectro elstico (rojo) e inelstico (verde) de diseo NSR-10

Para el clculo del espectro del umbral de dao se usa la siguiente tabla.

Figura 5. Mapa y valores de Ad

Figura 6. Espectro umbral de dao

3.2 Anlisis Modal

Se utiliz el procedimiento de Anlisis Dinmico Elstico, que incluye todos los modos de vibracin que contribuyen de una manera significativa a la respuesta dinmica de la estructura. En la siguiente tabla se muestran los perodos de las estructura. Estos modos de vibracin que se han incluido en el clculo de la respuesta dinmica de cada una de las direcciones horizontales principales y rotacionales llegan a ms del 90% de la masa participante de la estructura segn se requiere en el A.5.4.2.

Se presenta el coeficiente de participacin modal, con porcentaje de masa activa asociada a cada modo y la participacin acumulada en la excitacin de la masa total de la estructuras en el anlisis dinmico, para ambas direcciones principales del sismo.

Figura 6. Modo 1 Y Modo 3 Modulo 1

Tabla 2. Participacin modal de la masa

3.3 EVALUACIN SSMICA MODULO 1

Las fuerzas en la base son:

Tabla 5. Reacciones en la base de la estructura

Tabla 6. Datos espectro Elastico

Tabla 7. Datos espectro umbral de dao

4. CLCULO DE LA DERIVA

Para el anlisis de las derivas se toma el espectro multiplicado por la aceleracin de la gravedad ajustada para que el cortante basal de el 80% que lo que se obtiene con la FHE (A.5.4.5 NSR-10), mientras que para diseo las ordenadas espectrales se dividen por el factor R de reduccin de resistencia obtenido de la Tabla A.3.4 del NSR-10, se modifica segn la irregularidad en planta y altura. La deriva del piso para Estructuras aporticadas debe ser menor a 0.5% de la altura del piso tal como lo estipula el Ttulo A.6.4.1, Tabla A.6.1, del NSR-10, y se calcular como:

Donde el subndice j indica el piso superior y el subndice i el piso inferior, y los subndices X e Y, hacen referencia a la direccin en la que acta el sismo. A continuacin se presentan resultados de las derivas.

Para el moudulo 1 de mamposteria se obtiene:

Figura 8. Derivas SX y SY

En ningn caso la deriva de piso supera el 0.5%.

5. COMBINACIONES DE CARGAS Y ESFUERZOS EN MUROS

El clculo de las cargas actuantes sobre la estructura, se realiza utilizando las combinaciones especificadas en el NSR-10. En el Captulo B.2.4 se indica que las estructuras de prticos de concreto y mampostera estructural, sus componentes y su cimentacin, deben disearse de tal manera que su resistencia de diseo exceda los efectos de las cargas mayoradas de acuerdo a las siguientes combinaciones especificadas.

1.4D+ F_ (B.2.4-1)1.2D+ F +T+ (1.6+L + H) + 0.5(Lr G Le ) (B.2.4-2)1.2D+ 1.6(Lr G Le ) + (L 0.8W) (B.2.4-3)1.2D+ 1.6W+ 1.0L + 0.5(Lr G Le ) (B.2.4-4)1.2D+ 1.0E + 1.0L (B.2.4-5)0.9D+ 1.6W+ 1.6H (B.2.4-6)0.9D+ 1.0E + 1.6H (B.2.4-7)

Donde:D: Carga muerta consiste en el peso propio del elemento y muros.L: Carga viva debidas al uso y aplicacin de la edificacinE: Fuerzas ssmicas reducidas de diseoW: Fuerzas de viento

La carga de peso propio la tiene en cuenta el programa, la cual es mayorada por el factor correspondiente. En total resultan 23 combinaciones de carga ms una envolvente.

6. DISEO ESTRUCTURAL.

Para el diseo de los elementos estructurales se suponen los efectos ortogonales de la fuerza ssmica representada por el espectro, suponiendo la ocurrencia simultnea del 100% de la fuerza ssmica en una direccin y el 30% de la fuerza ssmica en la direccin perpendicular.

En la metodologa utilizada se modela tridimensionalmente la estructura con el programa ETABS con esto se obtienen las fuerzas de corte, momentos flectores y fuerzas axiales, una vez realizado el anlisis estructural, con el programa se disea el refuerzo en los elementos de concreto, muros de mampostera, considerando las diferentes combinaciones de carga con los respectivos factores de mayoracin de carga y reduccin de resistencia. Despus de realizado el anlisis estructural, se procede al diseo del refuerzo requerido segn lo especificado en el NSR-10. El refuerzo se disea con los momentos flectores alrededor del eje respectivo segn sea el caso para vigas y columnas (M11, M22, M12 y V13, V23 arrojados por el programa).

En el diseo de la cimentacin se usaron zapatas aisladas y vigas corridas, cuantificando las fuerzas mayoradas Vu, ocasionados por las reacciones del terreno, los cuales se comparan con la fuerza cortante admisible en el concreto Vc como viga ancha , por punzonamiento, por aplastamiento y longitud de anclaje.

El refuerzo para muros de mampostera estructural segn el capitulo D.7 es:

La resistencia de diseo que tiene un elemento y cualquier parte o seccin de l, en trminos de momento flector, carga axial, cortante y torsin, debe ser igual a:

Resistencia de diseo = x Resistencia Nominal >=Resistencia Requerida = U

Los coeficientes de reduccin de resistencia utilizados para concreto son:

Flexin: = 0.90Compresin Axial:= 0.65Cortante y Torsin:= 0.75

El diseo a flexin requiere unas cuantas mnimas especificadas en el NSR-10. En el Cap. C.7.12 especifica que se debe colocar refuerzo para retraccin de fraguado y variacin de temperatura perpendicular al refuerzo principal para losas macizas en una direccin. La relacin de rea de refuerzo a rea bruta de concreto debe tener como mnimo una cuanta de 0.0018 para barras corrugadas con fy = 420 MPa.

El refuerzo mnimo para elementos sometidos a flexin (Cap.C10.5, NSR-10) As suministrado, no debe ser menor a:

[S.I]Donde:b: Ancho de la seccin (El diseo se realiza por m.) [mm]fy: Resistencia nominal a la fluencia del acero de refuerzo [MPa]d: Distancia desde la fibra extrema sometida a compresin hasta el centroide del refuerzo sometido a traccin [mm].

Para fc = 21 MPa y fy = 420 MPa se obtiene una cuanta mnima de 0.0033

La distancia libre entre barras paralelas colocadas en una fila, no debe ser menor que el dimetro de la barra db, s > db, o s > 25 mm (Cap. C.7.6).

Las barras del refuerzo deben tener el recubrimiento mnimo segn sea el caso, para concreto colocado directamente sobre el suelo y en contacto permanente con la tierra el recubrimiento mnimo debe ser 75 mm y 40 mm para concreto no expuesto a la intemperie ni en contacto permanente con la tierra para todos los tipos de refuerzo en vigas, columnas y zapatas. Para estribos el recubrimiento mnimo debe ser de 30 mm. (Cap. C.7.7, NSR-10).

Seccin y Propiedades: Se definen muros de varias secciones tipo WALL, a losas de entrepiso tipo SLAB, estos se dividen en una malla de Elementos Finitos con el fin de obtener una variacin ms exacta de las fuerzas resultantes, ya sean momentos, cortantes o fuerzas axiales. Una vez introducido el modelo computacional con todos los requerimientos antes mencionados, se realiza la primera corrida, especificando los datos de salida que se consideren necesarios. Los datos arrojados corresponden a la envolvente de Fuerzas, tales como momentos, cortantes y fuerzas axiales, y el refuerzo requerido en la losa de entrepiso, vigas, columnas, etc.

Para el diseo en acero se revisa que el ndice de sobreesfuerzo no sea mayor a 0.95, en mampostera se revisa que la relacin Demanda capacidad D/C sea menor que 0.95, y para diseo en concreto se obtiene el acero As y As, Av, y At adems del combinado en vigas y Ast de columnas, se chequea que el diseo sea subreforzado para vigas y la cuantas mximas y mnimas en columnas, adems de la relacin de 6/5 columna fuerte viga dbil.

Figura 12 ndices D/C de Muros (Pier) de mampostera

Figura 13 ndices D/C de Muros (Pier) de mampostera

7.1 Diseo de la Cimentacin elementos de concreto y Acero

7.1.1 Flexin

Para zapatas se evalan los momentos flectores, se supone una cuanta de 0.0020 y se calcula la altura, se compara el acero obtenido con el mnimo para flexin y se suministra el requerido para construccin, retraccin de fraguado y temperatura. Despus se revisa la longitud de anclaje.

El espesor de las zapatas se determina por flexin y se revisa el cortante como viga ancha. En caso de obtener una cuanta mnima se suministra el refuerzo mnimo requerido para zapatas segn el NSR-10.

El espesor segn el C 15.7 no puede ser menor de 150 mm para zapatas sobre el suelo por encima del refuerzo inferior.

Para elementos sometidos principalmente a flexin, se usar la envolvente de momentos, se toma el mayor momento, se procede a realizar el diseo del refuerzo requerido por el mtodo de la resistencia ltima, cuya ecuacin de diseo es:

Donde:Mu: Momento mayorado obtenido del anlisis estructural.: Coeficiente de reduccin de resistencia igual a 0.9fy: Esfuerzo de fluencia del acero igual a 420 MPafc : Resistencia nominal del concreto a la compresin igual a 21 MPab: Ancho de la seccin iguald: Distancia de la fibra extrema en compresin al centroide del acero de refuerzo de traccin.

Una vez determinada la cuanta en la seccin, se verifica con la mnima especificada en el NSR-10, en caso de que sea menor se suministra la cuanta mnima. Posteriormente se calcula el rea de acero con base en el criterio del ingeniero diseador de acuerdo a las varillas disponibles en el mercado y que sea cmodo constructivamente.

El refuerzo obtenido para flexin en ambas direcciones para el caso de las columnas y columnetas se compara con el mnimo requerido para flexin de = 0.01 y mximo de 0.04 (C.10 y C.21), para vigas, se tiene que la cuanta mnima es = 0.0033 y la mxima de 0.014 para fc = 21 MPa (C.10.5 ), y adems se le suministra el acero constructivo y el requerido para retraccin y temperatura cuya cuanta mnima es 0.0018. (Ver Anexos) y las 2 varillas # 5 arriba y abajo para estructuras con DES.

7.1.2 Cortante en una direccin o como una viga ancha

La ecuacin de diseo es Vu (Vc + Vs), El cortante Vu se calcula a d de la cara del muro.

Se disea a fuerza cortante siguiendo los lineamientos del Cdigo (Cap. C.11). El diseo de las secciones transversales sometidas a esfuerzos cortantes debe basarse en:

Donde:vu: Esfuerzo mayorado de la seccin en consideracin vn: Esfuerzo resistente nominal: Coeficiente de reduccin de resistencia

vn = vc + vs

Donde:vc: Esfuerzo resistente nominal del concreto.

vs: Esfuerzo resistente nominal del acero de refuerzo a cortante. En todos los casos de carga el esfuerzo mayorado de la seccin en consideracin, nunca super el esfuerzo resistente nominal del concreto, por lo tanto el concreto absorbe toda la fuerza cortante y no es necesario aumentar el espesor.

El procedimiento de diseo a seguir para el diseo de la cimentacin es:

1. Dimensionamiento de la zapata:2. Esfuerzo del suelo neto mayorado qnu:

3. Momento Flexin:4. El espesor de la zapata: Se supone la cuanta 0.002.

Segn el C.15.4.5 La cuanta mnima por flexin es 0.0018 en ambas direcciones y por retraccin de fraguado y temperatura segn el C.10.5.5, el espaciamiento mnimo debe ser menor a 3 veces el espesor de la zapata o 500 mm (C.7.6.5).

4.1- Refuerzo por flexin:4.2- Refuerzo por temperatura y retraccin: (fy=420 Mpa)4.3- Armadura longitudinal4.4- Armadura transversal (por T)4.5- Cortante: Se calcula a una distancia d del borde del muro

Longitud de desarrollo del refuerzo de la dovela. La longitud de anclaje debe ser menor que la longitud de desarrollo para barras en compresin.

Para =1/2 con fy=420 MPa, fc =21 MPa

Figura 14 Acero de refuerzo cimentacin

Figura 15 Acero de refuerzo vigas amarre.

Figura 16 ndice de sobre esfuerzo IPE 160 losa concreto

Figura 17 ndice de sobre esfuerzo postes de 6 de dimetro 6mm espesor

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