Propuesta de Análisis Estructural de un Eedificio de Acero I, II, III
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO” EXTENSIÓN CARACAS DISEÑO DE UNA ESTRUCTURA DE UN EDIFICIO DE ACERO BAJO LAS CONDICIONES DE PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO CON CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA (SMF) Y PÓRTICOS CON ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS CON CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA (SCBF) PARA EL CENTRO CLÍNICO PAMELA, EN MAIQUETÍA, ESTADO VARGAS Propuesta de Trabajo Especial de Grado para optar al Título de Ingeniero Civil
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Diseño y Cálculo de un Edificio de Acero
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”EXTENSIÓN CARACAS
DISEÑO DE UNA ESTRUCTURA DE UN EDIFICIO DE ACERO BAJO LAS CONDICIONES DE PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO CON
CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA (SMF) Y PÓRTICOS CON ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS CON
CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA (SCBF) PARA EL CENTRO CLÍNICO PAMELA, EN MAIQUETÍA, ESTADO VARGAS
Propuesta de Trabajo Especial de Grado para optar al Título deIngeniero Civil
Autor: Edson Mendoza CI: 16.959.308
Tutor: Ing. Alcibíades Pírela UgasAsesora Metodológica: Edmarys Velásquez
Caracas, Febrero de 2015
APROBACIÓN DE LA PROFESORA
En mi carácter de Profesora de la asignatura Proyecto de Investigación hago constar
que el ciudadano Edson Mendoza, Cédula de Identidad N° 16.959.308 de Ingeniería
Civil; autor del Proyecto titulado: DISEÑO DE UNA ESTRUCTURA DE UN
EDIFICIO DE ACERO BAJO LAS CONDICIONES DE PÓRTICOS
RESISTENTES A MOMENTO CON CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACIÓN
DE ENERGÍA (SMF) Y PÓRTICOS CON ARRIOSTRAMIENTOS
CONCÉNTRICOS CON CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACIÓN DE
ENERGÍA (SCBF) PARA EL CENTRO CLÍNICO PAMELA, EN MAIQUETÍA,
ESTADO VARGAS aprobó dicha asignatura.
En la ciudad de Caracas, a los 02 del mes de Febrero de 2.015.
Edmarys VelásquezC.I. 16.398.843
ACEPTACIÓN DEL TUTOR
Por la presente hago constar que he leído el Proyecto de Investigación, que
como propuesta de Trabajo Especial de Grado ha presentado el ciudadano Edson
Mendoza, Cédula de Identidad N° 16.959.308, de Ingeniería Civil; cuyo título es
DISEÑO DE UNA ESTRUCTURA DE UN EDIFICIO DE ACERO BAJO LAS
CONDICIONES DE PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO CON
CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA (SMF) Y PÓRTICOS
CON ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS CON CAPACIDAD ESPECIAL
DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA (SCBF) PARA EL CENTRO CLÍNICO PAMELA,
EN MAIQUETÍA, ESTADO VARGAS, y acepto actuar como tutor durante la fase
de ejecución y presentación de dicho trabajo.
En la ciudad de Caracas, a los 02 del mes de Febrero de 2.015.
Ing. Alcibíades Pírela UgasC.I. 3.977.596
ACEPTACIÓN DE LA ASESORA METODOLÓGICA
Por la presente hago constar que he leído el Proyecto de Investigación que
como Propuesta de Trabajo Especial de Grado ha presentado el ciudadano Edson
Mendoza, Cédula de Identidad N° 16.959.308 de Ingeniería Civil; cuyo título es
DISEÑO DE UNA ESTRUCTURA DE UN EDIFICIO DE ACERO BAJO LAS
CONDICIONES DE PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO CON
CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA (SMF) Y PÓRTICOS
CON ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS CON CAPACIDAD ESPECIAL
DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA (SCBF) PARA EL CENTRO CLÍNICO PAMELA,
EN MAIQUETÍA, ESTADO VARGAS, y acepto actuar como Asesora Metodológica
durante la fase de ejecución y presentación de dicho trabajo.
En la ciudad de Caracas, a los 02 del mes de Febrero de 2.015.
Edmarys VelásquezC.I. 16.398.843
ÍNDICE GENERAL
pp.
LISTA DE CUADROS.............................................................................................vii
LISTA DE FIGURAS..............................................................................................viii
RESUMEN.................................................................................................................ix
INTRODUCCIÓN......................................................................................................1
CAPÍTULO
I. EL PROBLEMA................................................................................................3
Contextualización del Problema..........................................................................3
Objetivos de la Investigación..............................................................................5
Objetivo General........................................................................................5
Objetivos Específicos.................................................................................5
Justificación de la Investigación..........................................................................6
II. MARCO TEÓRICO..........................................................................................8
Antecedentes de la Investigación........................................................................8
Bases Teóricas...................................................................................................11
Estructuras de Acero................................................................................11
Sistema Pórticos resistentes a momento con capacidad especial de disipación de energía (SMF)....................................................................12
Comportamiento Plástico Ideal de un Pórtico Resistente a Momento........................................................................................................12
Sistema Pórticos con arriostramientos concéntricos con capacidad especial de disipación de Energía (SCBF)...............................................13
Disposiciones de Diseño Sismorresistente Orientadas a Mejorar la Capacidad de Disipación de Energía.......................................................16
Nodos de unión de los elementos estructurales de acero.........................16
Criterios Básicos para el Diseño de las Conexiones................................17
Criterios para el diseño de Conexiones Simples............................18
Criterios para el diseño de Conexiones Totalmente Restringidas. .18
Criterios para el diseño de Conexiones Parcialmente Restringidas18
Selección de Conexión según el Tipo de Estructura................................19
Adaptabilidad de los sistemas en condiciones sismorresistentes.............20
Comparación de la estructura de acero con una de concreto armado......23
Ventajas y desventajas del Acero...................................................23
Estructura de concreto armado.......................................................24
Ventajas y desventajas del concreto armado..................................25
Bases Legales....................................................................................................26
Constitución de la República Bolivariana de Venezuela (1999)..................26
Ley de Ejercicio de la Ingeniería, Arquitectura y profesiones afines...........28
Norma Covenín............................................................................................29
Sistema de Variables.........................................................................................30
Definición de Términos Básicos.......................................................................32
III. MARCO METODOLÓGICO...........................................................................33
Modalidad de Investigación..............................................................................33
Tipo de Investigación........................................................................................34
Procedimientos..................................................................................................35
Fases.........................................................................................................35
Operacionalización de Variables.......................................................................36
Población y Muestra..........................................................................................38
Técnicas e instrumentos de recolección de datos.............................................38
Instrumentos de recolección de datos................................................................39
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................40
LISTA DE CUADROS
CUADROpp.
1 Modo de Falla....................................................................................................20
2 Sistema de Variables.........................................................................................31
3 Operacionalización de las Variables.................................................................37
vii
LISTA DE FIGURAS
FIGURA
pp.
1 Pórticos con arriostramientos concéntricos con capacidad especial de disipación
de Energía (Special Concentrically Braced Frames).........................................14
2 Conexión Viga-Columna con arriostramientos diagonales...............................19
3 Espectros de Diseño Elásticos e Inelásticos......................................................21
4 Conexiones........................................................................................................22
viii
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”EXTENSIÓN CARACAS
INGENIERÍA CIVIL
DISEÑO DE UNA ESTRUCTURA DE UN EDIFICIO DE ACERO BAJO LAS CONDICIONES DE PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO CON
CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA (SMF) Y PÓRTICOS CON ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICOS CON
CAPACIDAD ESPECIAL DE DISIPACIÓN DE ENERGÍA (SCBF) PARA EL CENTRO CLÍNICO PAMELA, EN MAIQUETÍA, ESTADO VARGAS
Propuesta de Trabajo Especial de GradoLínea de Investigación: Construcción: Estructura de Obras Civiles.
Autor: Edson Mendoza CI: 16.959.308
Tutor: Ing. Alcibíades PírelaAsesora Metodológica: Edmarys Velásquez
Mes, Año: Febrero, 2.015
Resumen
En la actualidad las construcciones, tanto a nivel mundial como en Venezuela han ido avanzando al pasar los tiempos, en un caso particular el acero desde su inicio en la construcción ha sido muy versátil en su manipulación y duradero en el tiempo, en tal sentido se propone una estructura de acero para el Centro Clínico Pamela con la combinación de los sistemas bajo las condiciones de pórticos resistentes a momento con capacidad especial de disipación de energía (SMF) y pórticos con arriostramientos concéntricos con capacidad especial de disipación de energía (SCBF), con la finalidad de obtener la economía, y tolerancia al momento del análisis y diseño estructural, esta investigación que se presenta posee una modalidadde campo de tipo descriptiva con un enfoque cuantitativo, los instrumentos de recolección de datos que se utilizaron para obtener un mayor resultado fueron las normas COVENIN enmarcadas en la sismorresistencia, el método de los estado límites, cuaderno de apuntes, lápiz, calculadora y herramientas de cálculo, así mismo la interpretación de los resultados se facilitara debido a comparación de la estructura de acero con la de concreto armado, dándonos así una facilidad al momento del diseño de la estructura.Descriptores: Edificio, Estructura, Acero, Sistemas, Tolerancia y Diseño.
ix
INTRODUCCIÓN
El acero irrumpe en el siglo XIX dando nacimiento a una nueva arquitectura, se
erige en protagonista a partir de la revolución industrial, llegando a su auge con la
producción estandarizada de piezas, reemplazando a la madera y revoluciona la
industria de la construcción creando las bases de la fabricación de piezas en serie.
En consecuencia, el acero constituye un sistema constructivo muy difundido en
varios países, cuyo empleo suele crecer en función de la industrialización alcanzada
en la región o país donde se utiliza. El acero posee grandes propiedades como su gran
resistencia, capacidad de disipación de energía y elasticidad lo hacen ideal para
resistir acciones sísmicas, esto le confiere la posibilidad de lograr soluciones de gran
envergadura, como cubrir grandes luces y cargas importantes.
Las estructuras en acero son una opción ampliamente usada, por la seguridad que
aportan, debido a muchas décadas de estudio en la materia. Sin embargo, el
comportamiento de las estructuras de acero o de cualquier otro material, no depende
únicamente de sus propiedades, sino además de un conocimiento claro de ellas y la
disponibilidad a modelos ajustados a la realidad para un uso confiable, la manera de
obtener estos modelos es a través del estudio analítico y experimental de los
materiales y sus aplicaciones.
Venezuela, una zona por excelencia sísmica, el diseño de todas las estructuras
debe contemplar las acciones y criterios sísmicos normalizados, y ampliamente
estudiados, la aplicación más común del acero estructural es el diseño y construcción
de edificios mediante sistemas constructivos entre los cuales se mencionan, pórticos
arriostrados, pórticos a momento y sistemas duales. Estos sistemas son usualmente
utilizados en zonas de amenaza sísmica intermedia y alta, cuya estabilidad va a
depender de la resistencia de las conexiones viga-columna.
Por Consiguiente, ya conociendo las bondades del acero en la construcción, está
investigación se plantea una combinación de dos sistemas constructivos tales como
Pórticos Resistentes a Momento con Capacidad Especial de Disipación de Energía
(SMF) y Pórticos con Arriostramientos Concéntricos con Capacidad Especial de
1
Disipación de Energía (SCBF), buscando la mejor solución para el Centro Clínico
Pamela.
Este proyecto se estructura en tres (03) capítulos; el capítulo I, se encuentra
constituido por el planteamiento del problema, donde se enfocará el uso asertivo del
acero, posibles causas, posibles consecuencias y posibles alternativas de la
problemática; los objetivos generales y específicos; la justificación, donde se pone de
manifiesto a quien va dirigido el trabajo, quienes se benefician y por qué, y por qué es
importante este trabajo. El capítulo II tiene dentro de su desarrollo el marco teórico
con los antecedentes de la investigación, las bases teóricas que sustenta la
investigación y el sistema de variables. En el capítulo III el marco metodológico
incluye la naturaleza de la investigación, la operacionalización de las variables,
población, muestra, técnicas de recolección de datos y los instrumentos diseñados
para recoger la información.
2
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
Contextualización Del Problema
En los países desarrollados el área de la construcción juega un papel fundamental
en su desarrollo interno, pero este a su vez no le ha dado la prioridad necesaria en el
transcurso de su elaboración y que resulta difícil controlar la mayoría de las veces.
Por otro parte es una labor que envuelve una serie de requisitos, especificaciones y
procesos para llevarla a cabo de la mejor manera, desde el punto de vista de
seguridad, costo y planificación.
Por lo que toda actividad que ejecuta el ser humano, es tan antigua como el
mismo, cada esfuerzo ha sido direccionado a obtener los mejores resultados de su
entorno, buscando en forma constante adaptarse a las condiciones existentes. Sin
embargo, hay algo que el hombre no ha logrado a pesar de sus constantes esfuerzos y
es controlar las condiciones ambientales, es por ello que para protegerse se refugia en
edificaciones, estructuras construidas con características específicas para que puedan
mantenerse en el tiempo. Con relación a esto último, es importante destacar que el
proceso de construcción de una obra civil, intervienen un conjunto de profesionales
que trabajando en forma integrada logran cristalizar el resultado final previsto con
anterioridad, para que esto se pueda lograr es de vital importancia verificar que todo
el proceso se desarrolle en forma adecuada.
Es por ello que las estructuras de acero han evolucionado a lo largo de más de un
siglo como resultado de la experiencia obtenida por la industria de la construcción y
de numerosas investigaciones destinadas a optimizar su uso. Este avance ha permitido
desarrollar distintos tipos de estructuras sismorresistentes, los cuales presentan
3
variaciones no solo en su comportamiento estructural, sino también diferencias
constructivas, funcionales y económicas. Esto le permite al ingeniero estructural
seleccionar la solución más adecuada para casos particulares.
Estos avances de obras están siendo considerados en Venezuela, y es por ello que
el sector construcción ha logrado auge y éxito, expresando esto al basarse en las
construcciones de edificios, complejos habitacionales, entre otros que se observan
actualmente. Sin embargo, el cumplimiento de las obras a pesar de ser planificadas
con certeza, no siempre es finalizadas en el tiempo fijado, de allí que en ocasiones
deban hacer reprogramaciones para darle respuesta a los clientes, quedando la
constructora con la obligación.
En Venezuela se ha venido trabajando con estructuras de acero desde hace más de
medio siglo, han presentado una particularidad que son edificaciones de pocos
niveles, se tiene por conocimiento histórico, que uno de los pocos edificios que se han
construido en la ciudad de Caracas de acero, son las Torres del Silencio o también
conocido como El Centro Simón Bolívar. Los edificios de acero han sido durante
mucho tiempo una fuente valiosa de soluciones económicas, calidad alta, bajo
mantenimiento y facilidad de construcción a comparación con otros sistemas
constructivos, la fabricación del acero a utilizar están bajo las normas COVENIN, es
decir se encuentran estandarizadas y sistematizadas.
Cabe destacar que estas normas tienen como objetivo lograr que las edificaciones
diseñadas bajo sus criterios resistan sismos de intensidades severas permitiendo
daños sin que se produzca su colapso, considerando la ubicación y el uso que tendrá
la estructura. A medida que aumenta el conocimiento en materia sísmica, estas
normas pueden ser modificadas con el fin de aumentar su nivel de exigencia para
lograr estructuras más seguras.
En tal sentido, ya conociendo de manera superficial las bondades del acero en la
construcción, está investigación se plantea como una combinación de dos sistemas
constructivos SMF y SCBF, buscando la versatilidad, economía y tolerancia al
momento del análisis y diseño de la estructura. Sobre la base de lo expuesto
anteriormente se plantean las siguientes interrogantes:
4
¿Cómo es la estructura bajo condiciones constructivas de los sistemas SMF Y
SCBF?
¿Qué son los nodos de unión de los elementos estructurales?
¿Cuál es la adaptabilidad de los sistemas en condiciones sismorresistentes?
¿Por qué hacer la comparación de la estructura de acero con una de concreto
armado ya existente?
Objetivos de la Investigación
Objetivo general
Diseñar la estructura de un edificio de acero bajo las condiciones constructivas de
los sistemas Pórticos resistentes a momento con capacidad especial de disipación de
energía (SMF) y Pórticos con arriostramientos concéntricos con capacidad especial
de disipación de Energía (SCBF) para el Centro Clínico Pamela, en Maiquetía,
estado Vargas.
Objetivos específicos
Determinar la estructura bajo condiciones constructivas de los sistemas Pórticos
resistentes a momento con capacidad especial de disipación de energía (SMF) y
Pórticos con arriostramientos concéntricos con capacidad especial de disipación de
Energía (SCBF).
Diseñar los nodos de unión de los elementos estructurales.
Establecer la adaptabilidad de los sistemas en condiciones sismorresistentes.
Comparar la estructura de acero con una de concreto armado ya existente.
5
Justificación de la Investigación
Para justificar el presente estudio es necesario plantear algunos aspectos básicos
inherentes del por qué se investiga la temática seleccionada, como analizar bajo las
condiciones SMF y SCBF la estructura de un edificio de acero para el Centro Clínico
Pamela, en Maiquetía, estado Vargas y qué sentido tiene investigarlo en la medida
que sea conveniente para los informes relacionados con los datos de la obra.
En este sentido, la conveniencia de la investigación busca en ofrecerle un aporte
al Centro Clínico Pamela, en Maiquetía, estado Vargas, debido a que los nuevos
sistemas de estructuración que han aparecido, y es así como ya comienza a encontrar
en el país estructuraciones de pórticos de hormigón armado o de pórticos de acero
estructural y los tan utilizados muros, desplazados a las cajas de escalera o ascensor,
formando núcleos rígidos rodeados por pórticos más dúctiles.
Es por esto que, es significativo el escenario técnico que involucra el trabajo de
investigación, que le servirá de sustento al Centro Clínico Pamela, en Maiquetía,
estado Vargas en la medida que se hace alusión a los planteamientos en la
construcción civil, en el análisis bajo las condiciones SMF y SCBF para la estructura
de un edificio de acero que por consiguiente se plantea. El Centro Clínico Pamela es
una estructura de cuatro niveles, más la planta techo y el sótano, con
aproximadamente 300 m2 de construcción, que se alzara en la localidad de Maiquetía,
estado Vargas, con estos procedimientos de la aplicación del acero, se podrá obtener
una estructura de calidad y eficacia para así poder satisfacer las necesidades de la
población que allí reside, manteniendo siempre los controles y sistemas de servicio y
calidad bien establecidos.
En cuanto al aporte que se le brinda a las transeúntes va en función a la ubicación
del edificio de acero en la localidad de Maiquetía estado Vargas, el Centro Clínico se
ubicará en el casco comercial de la zona con alto tránsito de vehicular y peatonal, en
consecuencia limitaría el ingreso de camiones a la obra diariamente, bajo las
condiciones SMF y SCBF, tendríamos la ventaja de fabricar las piezas e ingresarlas
siguiendo un cronograma de ejecución y entrega.
6
En relación al aporte práctico el análisis tendrá una orientación de manera asertiva
en la búsqueda de nuevos horizontes que se abren día a día, y requerimientos
estructurales y arquitectónicos, que obligan a cambiar el rumbo seguido hasta ahora,
buscando optimizar costos y tiempos de ejecución que, a la larga, signifiquen mejor
competitividad en un mercado exigente y globalizado.
En cuanto al aporte metodológico, servirá de base a otros investigadores que se
interesen en explorar nuevos conocimiento del tema tratado, en la búsqueda de una
solución efectiva y con base científica que pueda ser aplicado en cualquier otra
institución.
De lo anteriormente señalado, se destaca que el enfoque social sobre todo en la
actualidad siempre se está en la búsqueda de nuevas técnicas y procesos de diseño,
materiales de mejor calidad o sistemas constructivos más óptimos, para asegurar un
comportamiento deseable en las estructuras proyectadas.
En tal sentido, entrando más detalladamente para aclarar y entender los beneficios
que nos traen estas estructuras, que dificultades pueden aparecer, abarcando cuales
son los pasos y recomendaciones más viables y poder obtener una construcción
exitosa; se presenta esta investigación para su análisis con la finalidad de conocer la
eficacia del acero como método constructivo, tomando en cuenta la combinación de
los sistemas SMF y SCBF y así tener la disposición y eficacia de los mismos.
7
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
En este capítulo se plantea una síntesis de investigaciones las cuales sirvieron
como marco de referencia y base teórica para sustentar el presente estudio. Según lo
señalado porPalella y Martins (2010) “El Marco Teórico representa aquellos
enfoques desarrollados por autores sobre el tópico del trabajo” (p. 57), se puede decir
que es la parte donde se conceptualiza, interpreta y vincula los antecedentes de la
investigación y fundamentos teóricos relacionados con el estudio.
Antecedentes de la Investigación
Para realizar el presente estudio se hizo previamente una revisión, de
investigaciones anteriores referentes al tema objeto de estudio, las cuales aportaron la
información necesaria de interés para conceptualizar y analizar diferentes enfoques
que se le han dado a este importante y novedoso trabajo. En tal sentido, primeramente
se analizó el trabajo de:
Bakhos, A y Bitonti, G (2012) realizaron su trabajo de grado en la “Universidad
Nueva Esparta”, para optar el título de ingeniero civil, el cual se fundamentó en el
“Comportamiento sismorresistente de conexiones tipo empalme en vigas de acero
como variante de conexión precalificada viga-columna tipo FlangePlate”. En tal
sentido, la investigación fue de carácter descriptivo, bajo la modalidad de proyecto
factible con un diseño de campo.
La finalidad de este trabajo de grado fue analizar y detallar las conexiones tipo
empalme en vigas de acero en su variante de conexión precalificada viga-columna
tipo plancha de ala (FlangePlate), estableciendo sus consideraciones
8
sismorresistentes. Para lograr su objetivo principal, desarrollaron una hoja de cálculo
en Microsoft Excel en donde se analizó y diseñó el tipo de conexión antes nombrada,
basándose en la Norma AISC 360 del año 2010 y 341 del año 2005.
Para fines de la presente investigación este trabajo sirvió de referencia como
documentación, ya que trata sobre el comportamiento sismorresistentes de
conexiones tipo empalme en vigas de acero.
Otro antecedente el de Peña y Reyes (2011) realizaron su Trabajo Especial de
Grado para optar al título de Ingeniero Civil, titulado “Adecuación estructural del
edificio de aulas de la facultad de ingeniería de la U.C.V. para garantizar el acceso
a personas con discapacidades motrices y movilidad reducida”. Se realizó una
investigación de carácter documental basado en la revisión y análisis de diferentes
biografías y normativas legales especializadas en el área de personas con
discapacidad.
La metodología utilizada en la investigación se basó en las técnicas de la encuesta
y la entrevista, dando como resultado de este trabajo lograr adaptar las soluciones
comúnmente utilizadas en otras partes al edificio en estudio, calculando
estructuralmente las soluciones diseñadas y prever el comportamiento de la estructura
modificada bajo la acción de las cargas variables y sísmicas, para luego realizar el
análisis económico de las soluciones planteadas y, finalmente, analizar y recomendar
las mejores soluciones, siguiendo los parámetros de diseño y costos, debido a que al
tratarse de una edificación de carácter patrimonial, deben tomarse en cuenta
restricciones a las modificaciones que se piensen hacer y que deben tener un costo
razonable a la situación económica actual.
Este estudio es relevante para la investigación, ya que destaca las áreas que deben
estar acondicionadas para garantizar el acceso hacia todos los ambientes a cualquier
persona, discapacitada o no, de forma segura y cómoda.
Soto J. (2012) Realizo un trabajo para la Universidad Católica Andrés Bello, que
llevo por título “Proyecto de Conexiones de Vigas de Acero a Muros de Concreto en
Estructuras Mixtas”, para optar el título de ingeniero civil. Este trabajo de grado
busca controlar las cargas sísmicas por los muros y realizar adecuadamente la unión
9
entre las vigas de acero y los muros de concreto de manera que se trasmitan
adecuadamente los momentos y se garantice el comportamiento del modelo
estructural proyectado.
El autor justifica su investigación que es de suma importancia conocer el
funcionamiento de los nodos mixtos y asegurarse de que estos trasmitan
correctamente los momentos a los elementos de concreto, para lograr de esta manera
una estructura metálica más liviana, económica y fácil de construir, aprovechándose
adecuadamente las ventajas que ofrece cada material de construcción.
El estudio se realizó mediante una investigación proyectiva bajo la modalidad de
proyecto factible. El trabajo le permite a los proyectistas, ingenieros residentes,
inspectores de obra y estudiantes conocer las diferentes alternativas de conexiones de
que se dispone para estos casos, sus características, consideraciones de diseño y los
resultados de las diferentes pruebas experimentales a las que han sido sometidas.
Bedoya (2012), El cual realizó una investigación de “resistencia y vulnerabilidad
sísmica en edificaciones ubicadas en zonas costeras”. El presente trabajo tuvo como
objeto evaluar el comportamiento sísmico y estimar los parámetros estructurales para
zonas antes mencionadas, también propuso y se calibró un modelo matemático para
simular el comportamiento que exhiben las edificaciones en este tipo de zonas cuando
soportan cargas cíclicas. Por lo tanto esta investigación aporta información
importante al estudio realizado ya que ayudó a reforzar lo referente a las técnicas
sismorresistentes y al comportamiento sísmico en las estructuras con más de treinta
años.
10
Bases Teóricas
Estructura de Acero
Al momento de fabricar estructuras metálicas, los materiales a utilizar vienen en
perfiles y dimensiones predeterminados, por lo que el ingeniero debe recurrir a
realizar cortes y conexiones para así cumplir con las necesidades de su proyecto.
Esto ocurre con las piezas estructurales de acero, según lo indicado por Ayala.
(2012)
Las vigas y columnas, las cuales vienen en forma de barras y para ser ensambladas es necesario realizar conexiones acorde con las características y dimensiones de las mismas, ya que las barras están sometidas a cargas transversales externas y transportan estas cargas hacia el apoyo por medio de esfuerzos solicitantes internos.(p.87).
Estas piezas como miembros de una estructura están sometidas a cargas que las
llevan a su estado límite, entendiendo por estado límite el comportamiento a partir del
cual un elemento de la estructura deja de cumplir la función para el cual fue
elaborado, consideraremos los siguientes:
a) El estado límite de agotamiento resistente, relacionado con la seguridad y la
capacidad, y que comprende las verificaciones por resistencia, estabilidad,
volcamiento, colapso y cualquier otra falla estructural que comprometa la
seguridad y la vida.
b) El estado límite de servicio, relacionado con la durabilidad y funcionamiento
bajo condiciones normales de servicio que puedan afectar el confort de los
usuarios, como flechas o deformaciones y contra flechas, vibraciones, fatiga,
efectos de temperatura, deslizamiento en las juntas y conexiones, y corrosión.
c) Estado límite de tenacidad: Se alcanza este estado cuando la disipación de
energía es incapaz de mantener un comportamiento histerético estable.
11
d) Estado límite de estabilidad: Se alcanza este estado cuando el comportamiento
de la estructura o una parte importante de ella se afecta significativamente
ante nuevos incrementos de las acciones y que podrían conducirla al colapso o
desplome.
Sistema Pórticos resistentes a momento con capacidad especial de disipación de energía (SMF)
Un pórtico resistente a momento: es un pórtico especial en el cual sus miembros y
nudos son capases de resistir las fuerzas principales por flexión, en opinión de
Murray (2007) “es un pórtico especial diseñado de acuerdo con las disposiciones
correspondientes. Cuando es concreto reforzado o cuando es acero estructural”
(p.117).
En tal sentido, el pórtico resistente a momento es aquel que soporta las cargas a
que se ve sometido mediante las deformaciones plásticas requeridas y se alcanza a
través de la formación de rotulas plásticas ubicadas en lugares determinados en la luz
de la viga. Las conexiones viga-columna deben diseñarse con suficiente resistencia,
para garantizar la formación de rotulas plásticas a cierta distancia de la cara de la
columna.
Se espera que un pórtico tipo SMF desarrolle una cantidad significativa de
deformación inelástica al ser sometido a fuerzas que resultan al considerar el sismo de
diseño. La mayor parte de esta deformación inelástica tiene lugar en la viga a través
de la formación de rótulas.
Comportamiento Plástico Ideal de un Pórtico Resistente a Momento
Este sistema es usado comúnmente en edificios de hasta 30 pisos de altura y se
considera que tienen un buen desempeño durante el sismo. Los pórticos resistentes a
momentos pueden proveer diferentes capacidades de disipación de energía: mínima,
12
moderada y especial las cuales se alcanzan mediante la utilización de detalles
estructurales que permite el nivel de disipación de energía para la capacidad del
pórtico.
Un pórtico resistente a momento con capacidad especial de disipación de energía
posee detalles que garantizan altas ductilidades y capacidad de deformación inelástica
durante eventos sísmicos; tales deformaciones inelásticas incrementan el
amortiguamiento y reducen la rigidez de la estructura dando como resultado menores
fuerzas sísmicas y un comportamiento en el cual la mayor parte de los elementos se
desempeñan en el rango elástico sin sufrir pandeo local, disipando una cantidad
considerable de energía mediante un comportamiento histeretico estable. Esto hace
que este tipo de pórtico sea adecuado para zonas de alta sismicidad. Los pórticos con
capacidades mínima y moderada se diseñan utilizando detalles que permitan
desarrollar los niveles de deformación inelástica respectiva y resultan eficientes en
zonas de menor amenaza sísmica
Sistema Pórticos con arriostramientos concéntricos con capacidad especial de disipación de Energía (SCBF)
Un pórtico arriostrado en donde todos los miembros del sistema de arriostramiento
están sometidos principalmente a fuerzas axiales .un pórtico arriostrado
concéntricamente deberá cumplir con lo siguiente. Según lo indicado por Popov,
Blondet y Stepanov(2002).
Pórtico arriostrado en k: un pórtico arriostrado concéntricamente en un par de
riostras diagonales localizadas a un lado de una columna se conecta a un mismo
punto en el claro libre de la columna.
Pórtico arriostrado v: un pórtico arriostrado concéntricamente en el que un par de
riostras diagonales localizadas por encima o por debajo de una viga se conectan un
punto único de la luz de la viga cuando las riostras diagonales están debajo de la viga
también se le suele llamar pórtico arriostrado en v vertida.
13
Pórtico en x: un pórtico arriostrado concéntricamente. En donde par de riostras
diagonales se cruzan aproximadamente en el punto medio de las riostras.
Los sistemas aporticados con arriostramientos concéntricos deben ser diseñados
usando la capacidad de resistencia a carga axial y el detallado de los miembros para
permitir la formación de articulaciones plásticas en los extremos de los
arriostramientos cuando éste pandea fuera de su plano.Popov, Blondet y Stepanov
(2002).
Figura 1: Pórticos con Arriostramiento Concéntricos: Arriostramientos en V invertida, Arriostramientos en Diagonal y Arriostramientos en Cruz. Norma COVENIN 1618.
Cuando las vigas y columnas se interconectan por medio de conexiones simples,
(no resistentes a momento) el método más económico es usar arriostramientos
diagonales concéntricos en “X” (arriostramiento concéntrico cuando las diagonales
llegan exactamente al nodo). Este tipo de sistema genera una estructura más rígida
que un pórtico con conexiones a momento. En los pórticos resistentes a momento la
flexibilidad de las vigas domina la respuesta de desplazamiento, mientras que en un
pórtico arriostrado se elimina el efecto de la flexión de las vigas y columnas, debido a
que el corte lo absorben las diagonales con carga axial. Tres parámetros afectan la
capacidad de respuesta histerética de los arriostramientos:
1) La relación de esbeltez ( )2) Las condiciones de fijación en los extremos (K)
14
3) La forma de la sección (A, I)
Por consiguiente los arriostramiento muy esbeltos tienen poca rigidez en la
configuración pandeada. Asimismo, pierden resistencia muy rápidamente con las
cargas cíclicas inelásticas y no recuperan su geometría original.Durante los
terremotos los pórticos con arriostramientos concéntricos tienen un miembro en
flexión está sometido a cargas perpendiculares a su eje, las que pueden incluir
momentos puntuales aplicados en el tramo o los extremos del elemento, los cuales se
describen a continuación:
a) Bajo la acción de terremotos severos, los arriostramientos y sus conexiones
presentan deformaciones cíclicas inelásticas significativas en el rango de post-
pandeo.
b) Los efectos de estas rotaciones cíclicas y las rótulas plásticas se forman en el
medio del tramo y en los extremos de los arriostramientos.
c) En los arriostramientos concéntricos la cedencia y el pandeo ocurren bajo
derivas moderadas, entre 0.003 y 0.005, lo que representa un 20% de la deriva
correspondiente a un pórtico de momento sin arriostrar.
d) La falla del sistema de arriostramientos ocurre por fractura en las conexiones
o en los arriostramientos.
e) Cuando la sección del arriostramiento no clasifica como compacta, el pandeo
local severo reduce la ductilidad del sistema estructural.
f) La falla de los arriostramientos o de sus conexiones resulta en grandes valores
de la deriva que impone una fuerte demanda de ductilidad en las vigas, las columnas,
y las conexiones.
g) Los sistemas de arriostramientos en V o V invertida, al pandear una diagonal,
se desbalancean las fuerzas resultando una fuerza neta vertical y flexión en la viga.
h) El criterio de diseño basado solamente en diagonales traccionadas no debe
usarse en diseño sismorresistente. Resultan miembros de una gran relación de
esbeltez, kL/r, con lazos histeréticos estrechos o con el efecto de “pinza”. Tampoco
debe utilizarse arriostramientos en k, pues al pandear una de las diagonales se
15
desbalancea la distribución de solicitaciones, resultando una carga horizontal neta
sobre la columna y propiciando la formación de rótulas plásticas en la misma.
kL/r< 40 : Miembros cortos, diagramas histeréticos anchos y lazos planos.
kL/r 40 - 100: Miembros intermedios.
kL/r 100 - 200 : Miembros esbeltos, diagramas histeréticos estrechos y lazos
estrangulados.
Disposiciones de Diseño Sismorresistente Orientadas a Mejorar la Capacidad de
Disipación de Energía
1. Limitar las relaciones ancho/espesor de los arriostramientos y columnas para
minimizar el pandeo local.
2. Diseñar y disponer tan cerca como sea posible las planchas de relleno (tacos)
en los arriostramientos compuestos para evitar el pandeo prematuro.
3. Incrementar la capacidad resistente de los arriostramientos y sus conexiones.
4. Establecer requisitos adicionales para el diseño y detallado de las columnas y
sus empalmes.
Nodos de unión de los elementos estructurales de acero
En la actualidad se tiende a realizar las uniones mediante soldadura debido a su
sencillez, estanqueidad y compacidad de las mismas, así como a la eliminación de
elementos intermedios. Sin embargo, en algunas ocasiones no es posible obtener
mediante soldadura de piezas aparatos de unión que reflejen de manera real las
hipótesis de cálculo, por lo que es necesario recurrir a los pernos, bulones u otros
elementos más sofisticados, tales como los apoyos de neopreno o los constituidos por
resortes, amortiguadores, entre otros. El nodo es el más utilizado estructuralmente de
acuerdo a lo indicado por Popov, Blondet y Stepanov (2002)
se trata de una forma de unión en la que no se permiten desplazamientos lineales ni angulares entre los elementos unidos tal es el caso de las juntas
16
soldadas, de las juntas remachadas mediante conjuntos de pernos, de las juntas realizadas con varios clavos, de concreto reforzado con acero de refuerzo continuo y otros sistemas(p.258)
El concepto con que se diseñan los conectores, pernos o soldaduras así como los
elementos conectantes se basa en aceptar la transmisión de la fuerza cortante que se
realiza en el alma de la viga y que las fuerzas provenientes de la flexión se transmiten
a través de las alas de las vigas.
Cuando se diseña una edificación para resistir las fuerzas, uno de los factores más
importantes que tiene que tomarse en cuenta es el diseño de sus conexiones, ya que
afecta el costo y la seguridad de la edificación. Los tipos de conexiones son:
a) Conexiones Simples: Son aquellas conexiones flexibles capaces de absorber
las rotaciones de los extremos de las vigas simplemente apoyadas, su diseño será
normalmente solo a por las reacciones a corte.
b) Conexiones a Momentos o Rígidas: Son aquellas conexiones donde los
elementos se encuentren empotrados, se diseñarán considerando los efectos
combinados de los momentos y las fuerzas cortantes resultantes de la rigidez de la
conexión. Dentro de este tipo de conexiones se consideran dos grupos:
1) Conexiones Totalmente Restringidas. (FR)
2) Conexiones Parcialmente Restringidas. (PR)
Cada conexión puede tener distintos tipos de configuraciones según las planchas,
ángulos y elementos que la conformen. El tipo de conexiones se determinara por la
máxima rotación que esta sea capaz de absorber.
Criterios Básicos para el Diseño de las Conexiones
El concepto con que se diseñan los conectores, pernos o soldaduras así como los
elementos conectantes se basa en aceptar la transmisión de la fuerza cortante que se
realiza en el alma de la viga y que las fuerzas provenientes de la flexión se transmiten
a través de las alas de las vigas.
17
Criterios para el diseño de Conexiones Simples
Como la conexión articulada está destinada a transmitir el corte de los elementos
conectantes y los conectores se escogen para soportar corte, se espera que la
ductilidad de la conexión permita una rotación adecuada para que se pueda considerar
y modelar como una rótula.
Criterios para el diseño de Conexiones Totalmente Restringidas
En el caso de las conexiones rígidas, adicionalmente a la transmisión del corte
indicada anteriormente, se deberán considerar que las fuerzas generadas por el
momento flector sean adecuadamente llevadas de las alas de las vigas a las alas de las
columnas, ello se consigue uniendo las alas de vigas y columnas; por otro lado, para
evitar que se dañe el alma de la columna por estas fuerzas se colocan frecuentemente
planchas opuestas a las alas de las vigas, denominadas “rigidizadores en alma” o
“planchas de continuidad”; finalmente, el alma de la columna deberá ser capaz
también de soportar los esfuerzos cortantes radiales que se generan por el momento y,
en muchos casos, se deberá reforzar mediante “planchas adosadas al alma” o
“DoublePlate”.
Criterios para el diseño de Conexiones Parcialmente Restringidas
Las conexiones semirrígidas son intermedias entre ambos de los tipos ya tratados y
que por los elementos conectantes usados no se puede asegurar una rotación
simultánea al requerimiento de la flexión entre viga y columna. Para su diseño se
requiere un conocimiento especial de la cantidad de flexión a transmitir y las curvas
de Momentos-Rotación del caso.
18
Selección de Conexión según el Tipo de Estructura
Ciertamente en el caso de los Pórticos Resistentes a Momentos (SMF) la conexión
restringida o rígida (FR) es la adecuada para asegurar un comportamiento del pórtico
capaz de asimilar los momentos que se imponen, en especial, las acciones
horizontales. Las conexiones PR “articuladas” se emplean generalmente en los
pórticos soportados y en los Pórticos con Diagonales (SCBF) aunque en este caso se
deben contemplar también los arriostramientos inclinados.
Figura 2: Conexión Viga-Columna con arriostramientos diagonales. (Fuente: AISCLRFD)
Las conexiones en pórticos arriostrados como la que se muestra en la figura
anterior generalmente se hacen del tipo “articulada” pero para tomar las acciones
axiales de los arriostramientos diagonales es necesario colocar Planchas Nodos o
“GussetPlate”.
19
En general, se podrían dividir las uniones de nudo en flexibles y rígidas, según que
desde el punto de vista de cálculo no puedan transmitir un momento apreciable. En
cuanto a las fallas en las conexiones deben ser dúctiles (deslizamientos de pernos,
cedencia en el acero, pandeo local menor) y no frágiles (pandeo local severo que
conduce a fracturas prematuras por fatiga de bajo ciclaje: fractura de los pernos o la
soldadura y fractura de la sección de acero). La secuencia jerárquica de las fallas
deseables en conexiones es la indicada en la siguiente tabla:
MODO DE FALLA DESCRIPCIÓNDÚCTIL 1. Cedencia en las planchas de la conexión.
2. Cedencia por aplastamiento.
3. Cedencia en las vigas.DÚCTIL / FRÁGIL 4. Pandeo local.
5. Cedencia en la zona del panel viga-columna.FRÁGIL 6. Fractura de los pernos.
7. Fractura de las soldaduras.
8. Fractura en las vigas.
9. Fractura en la sección neta.Cuadro Nº 1.Modo de Falla. Fuente: Munrray (2007)
Adaptabilidad de los sistemas en condiciones sismo resistentes
El incremento del amortiguamiento efectivo de una estructura lleva a una
disminución de la respuesta estructural. Esto sucede con una gran rapidez de
adaptación Como el amortiguamiento estructural está limitado al amortiguamiento
que es inherente o propio de los materiales, acero, hormigón o una mezcla de ambos,
cuando este no es suficiente se hace necesario incorporar dispositivos auxiliares que
impongan un amortiguamiento adicional al sistema, que pueda ser evaluado de
manera bastante precisa.
Congruente con la nueva Norma venezolana COVENIN-MINDUR 1756-98
“Edificaciones Sismorresistentes” en el diseño de los sistemas resistentes a sismos de
las estructuras de acero se admite que sometidas a los sismos de diseño puedan
20
incursionar en el rango inelástico de comportamiento. Para aproximar estos efectos
inelásticos se suministran valores delFactor de Reducción de Respuestade los
espectros elásticos,R.
Figura N° 3. Espectros de Diseño (Elático e Ineslasticos). Fuente: Norma COVENIN 1618-98
Las ordenadas del espectro de diseño elástico son reducidas por el factor de
reducción de respuesta R, el cual toma en cuenta la ductilidad de desplazamiento de
la estructura y la sobrerresistencia.
La norma COVENIN 1618-98 introduce definiciones precisas de conexiones,
juntas y nodos. Las conexiones de momento, excepto los pórticos con ND1 que deben
permanecer elásticos para los movimientos sísmicos de diseño, deberán demostrar
analítica y experimentalmente que son capaces de suministrar para las derivas
especificadas en la Norma COVENIN 1756-98 el ángulo de rotación especificado por
la Norma COVENIN 1618-98.
No es intención de la Norma 1618-98 exigir el ensayo de todas las conexiones de
un determinado proyecto. En muchos casos los ensayos reportados en la literatura
21
pueden ser utilizados para demostrar que la conexión satisface los requisitos de
capacidad resistente y rotación inelástica exigidos, siempre y cuando esos ensayos
satisfagan los requisitos.
Figura Nº 4.Conexiones. Fuente: Norma 1618-98
El diseño moderno de conexiones concentra su atención en los siguientes tres
aspectos fundamentales:
1. Rigidez
2. Resistencia
3. Ductilidad bajo cargas críticas
Las clasificación de los tipos de conexiones en totalmente restringidas, TR, y
parcialmente restringidas, PR (Artículo 3.4) obedece a las nuevas tendencias
mundiales en esta área. Los pórticos se modelan usando en los nodos las rigideces de
vigas y columnas, pero cuando se requiera o exija un modelo más realista, se podrá
incorporar la rigidez del panel viga-columna. En ambos casos, los momentos y cortes
se calcularán a la cara de la columna.
En el análisis lineal de estructuras con conexiones semirrígidas, las vigas se
modelarán con una rigidez. EI equivalente, conocida en las conexiones precalificadas.
Para análisis no lineales o conexiones no precalificadas, los parámetros de las
conexiones se deberán obtener directamente del modelo.
22
Comparación de la estructura de acero con una de concreto armado
El acero es un material que permite diferentes soluciones estructurales que se
amolden a las necesidades económicas, espaciales y de seguridad. Dentro de los
sistemas estructurales usados en la construcción de edificaciones de acero se
encuentran los sistemas de pórticos resistentes a momento, pórticos arriostrados
concéntricamente, pórticos arriostrados excéntricamente, la combinación de pórticos
resistentes a momento con arriostramientos, bien sea concéntricos o excéntricos,
sistemas tubulares, entre otros.
Ventajas y desventajas del Acero
Alta relación resistencia/peso: Importante en puentes de grandes claros, en
edificios altos y en estructuras con malas condiciones de cimentación. Uniformidad:
Sus propiedades no cambian apreciablemente. Alta ductilidad: El hecho de que el
material sea dúctil no implica que la estructura fabricada con él sea también dúctil.
Ciclos histeréticos más amplios y estables: Importante para un buen desempeño
sismorresistente. Facilidad en la construcción y para la modificación de estructuras:
Se adaptan bien a posibles ampliaciones. Fácilmente reciclable.
Cabe señalar las Desventajas del Acero como el Costo de mantenimiento:
Susceptibles a la corrosión al estar expuestos al aire y al agua. Costo de la
protección contra el fuego: El acero pierde apreciablemente su capacidad de
resistencia con el aumento de la temperatura. Además es un excelente conductor de
calor. Susceptibilidad al pandeo: Su alta relación resistencia/peso puede dar lugar a
miembros esbeltos. Fatiga: Su resistencia se reduce ante un gran número de
inversiones del signo de la tensión o a un gran número de cambios de la magnitud de
la tensión. Fractura frágil.
En cuanto a la rápida difusión del uso del concreto armado ha contribuido en gran
medida el complemento de propiedades de dos materiales: acero y concreto que
23
reunidos en un material mixto, le dotan de la destacada resistencia a la tracción del
primero y la buena resistencia a la compresión del segundo.
El concreto, es una mezcla de dos componentes: pasta y agregados. La pasta de
concreto se compone de cemento, agua, aditivos y aire atrapado y/o incluido. Los
agregados son conocidos como finos (arena) y gruesos (grava).
El acero de refuerzo, es una aleación fierro/carbono, que generalmente tiene un
acabado superficial en relieve llamado corrugado.
El cemento puede describirse como un material con propiedades tanto adhesivas
como cohesivas, las cuales le dan la capacidad de aglutinar fragmentos minerales para
formar un todo compacto. (Moreno, A y Pérez, T, 2001:87)
Estructura de concreto armado
Los principales materiales que conforman el concreto armado son el acero y la
mezcla cementante que es quien le da forma a los elementos que conformaran una
estructura. La mezcla cementante se encuentra conformada por cemento, arena y
rocas en determinadas proporciones dependiendo de varios factores, tales como la
resistencia, fluidez, entre otros.
Los materiales naturales que participan en el proceso de fabricación del cemento
son la caliza, arcilla, arena, mineral de hierro y yeso. Las rocas calizas son ricas en
carbonato de calcio (CaCO3) el cual aporta el oxido de calcio (CaO) cuando se
descompone mediante el calor. La arcilla aporta principalmente el óxido de aluminio
o alúmina (Al2O3). La arena y el mineral de hierro son usados en caso de que la
caliza, arcilla o esquistos no contengan los compuestos químicos requeridos.
La arena aporta principalmente sílice (SiO2) y el mineral de hierro, oxido férrico
(Fe203). Los esquistos aportan alúmina, sílice y carbonato de calcio en proporciones
que varían marcadamente. El yeso contiene sulfato de calcio hemihidratado
(CaSO42H2O) se usa al final del proceso de fabricación cuando se muele el Clinker
(mezcla final después de ser cocida). Se agrega en cantidades pequeñas (4% a 5%)
actuando como regulador de fraguado. (Cemex, 1994).
24
El acero es un material estructural por excelencia, que sobre los materiales
tradicionales (concreto, madera, aluminio, etc.), aventaja por su gran resistencia,
ductilidad, durabilidad, versatilidad para la combinación de secciones con forma
variadas, disponibilidad, peso reducido en comparación con el concreto armado y
rapidez de ejecución, entre otras características.
En cuanto al acero de refuerzo este se combina con el concreto para que este
resista los esfuerzos de tensión. El acero de refuerzo, es una aleación hierro/ carbono,
que generalmente tiene un acabado superficial en relieve llamado corrugado. El más
común de los refuerzos es la barra estriada, ya que produce mejor adherencia con el
concreto debido a la rugosidad saliente de superficie; también hay barras de
superficie lisa y el alambrón, a partir de la cual se obtiene la malla electro soldada.
Según la Norma Covenin 2000-92, el acero o armadura de refuerzo “… es el
conjunto de barras, alambres y otros elementos delgados de acero que se colocan
dentro del concreto para resistir tensiones junto con este.”Ciertamente, la mayoría de
los refuerzos son en forma de varillas o de alambres, de superficie lisa o corrugada;
de sección cuadrada y redonda.
Ventajas y desventajas del concreto armado
El concreto armado es un material formado por cemento, áridos y agua, y en el que
algunas veces, entra un cuarto componente, los aditivos; no es de extrañar, por tanto,
que los defectos que cada uno de estos materiales posean influyan desfavorablemente
sobre las características más importantes del concreto: resistencias mecánicas,
estabilidad, durabilidad.
Por lo que estas tres características van a estar muy relacionadas con una serie de
factores entre los que cabe destacar la homogeneidad y la compacidad un concreto es
homogéneo cuando su composición en cualquier parte el mismo sea comparable a la
de otra parte diferente. Muchas son las causas que dan lugar a la heterogeneidad y a
falta de compacidad en el concreto, entre ellas: segregación o separación de los
materiales más gruesos hacia las capas inferiores y la exudación y elevación de la
25
pasta hacia la superficie, además de ciertas operaciones que se realizan con el
concreto fresco, tales como: el transporte, vertido, compactado, armado y encofrado,
entre otros.
Bases Legales
El presente trabajo de investigación está sustentado en un conjunto de textos
legales los cuales se consideran la piedra angular del mismo. En este sentido, la
estructura bajo condiciones constructivas de los sistemas Pórticos resistentes a
momento con capacidad especial de disipación de energía (SMF) y Pórticos con
arriostramientos concéntricos con capacidad especial de disipación de Energía
(SCBF), se encuentra regida por los siguientes instrumentos legales. Entre las leyes
que sustentan esta investigación se citan las siguientes:
Constitución de la República Bolivariana de Venezuela (1999)
La Constitución de la República Bolivariana de Venezuela (1999)es la
fundamentación legal que sustenta la investigación, está basada en artículos que
conforman la función pública para así respaldar el problema de la investigación
Artículo 82.
Toda persona tiene derecho a una vivienda adecuada, segura, cómoda, higiénica, con servicios básicos esenciales que incluyan un hábitat que humanice las relaciones familiares, vecinales y comunitarias. La satisfacción progresiva de este derecho es obligación compartida entre los ciudadanos y ciudadanas y el Estado en todos sus ámbitos.El Estado dará prioridad a las familias y garantizará los medios para que éstas y especialmente las de escasos recursos, puedan acceder a las políticas sociales y al crédito para la construcción, adquisición o ampliación de viviendas.
26
La relación en desarrollo del artículo 82 y este trabajo la cual impregna todo el
proyecto de la Ley, al igual que el resto de los principios constitucionales y legales,
dando preferencia a los sujetos de escasos recursos y de atención especial.
En este texto legal se ratifica el derecho a la vivienda y hábitat dignos
contemplado en la constitución de la República Bolivariana de Venezuela.
Artículo 86.
Toda persona tiene derecho a la seguridad social como servicio público de carácter no lucrativo, que garantice la salud y asegure protección en contingencias de maternidad, paternidad, enfermedad, invalide, enfermedades catastróficas, discapacidad, necesidades especiales, riesgos laborales, pérdida de empleo, desempleo, vejez, orfandad, vivienda, cargas derivadas de la vida familiar y cualquier otra circunstancia de previsión social.
El estado tiene la obligación de asegurar la efectividad de este derecho creando un sistema de seguridad social universal, integral, de financiamiento solidario, unitario, eficiente y participativo, de contribuciones directas o indirectas. La ausencia de capacidad contributiva no será motivo para excluir a las personas de su protección.
Los recursos financieros de la seguridad social no podrán ser destinados a otros fines. Las cotizaciones obligatorias que realicen los trabajadores y las trabajadoras para cubrir los servicios médicos y asistenciales y demás beneficios de la seguridad social podrán ser administradas solo con fines sociales bajo la rectoría del estado. Los remanentes netos del capital destinado a la salud, la educación y la seguridad social se acumularan a los fines de su distribución y contribución en esos servicios. El sistema de seguridad de seguridad social será regulado por una ley orgánica especial.
El presente artículo Declara a la seguridad social como un “servicio público”, esto
se traduce en obligaciones prestacionales a cargo del Estado, el cual debe garantizar a
todas las personas el derecho de acceso a una vivienda y hábitat dignos el cual es el
objetivo del trabajo que se plantea. La relación que guarda el anterior articulo y el
presente radica en que, debe asegurar a todas las personas protección en materia de
vivienda en situaciones de contingencias sociales que impliquen emergencia
declarada.
27
Ley de Ejercicio de la Ingeniería, Arquitectura y profesiones afines
Artículo 14. Todas las construcciones, instalaciones y trabajos relacionados con
las profesiones a que se contrae la presente Ley deberán realizarse con la
participación de los profesionales necesarios para garantizar la corrección, eficacia y
seguridad de las obras.
La relación que guarda el anterior articulo y el presente radica en que los
profesionales deberán abstenerse de prestar su concurso profesional cuando esta
disposición no sea satisfactoriamente cumplida y dejan de acatarse las medidas que
ellos indiquen con ese fin.
Artículo 15. Las empresas que se propongan ejecutar construcciones,
instalaciones o trabajos para entidades públicas, además de cumplir los requisitos
establecidos en el artículo anterior, deberán designar ante ellas como representantes
técnico a un profesional en ejercicio.
Este artículo especifica que, las empresas o personas que se dispongan a proyectar
o ejecutar construcciones, ampliaciones, transformaciones o reparaciones, deberán
designar, representantes profesionales para discutir los asuntos técnicos ante las
oficinas de la administración pública encargadas de otorgar permisos de construcción.
De allí, la relación que guarda el anterior articulo y el presente radica en que la
importancia de los representantes técnico a un profesional en ejercicio.
Artículo 16.
En los diferentes aspectos del proyecto y de la ejecución de construcciones, instalaciones y trabajos, la participación de los profesionales debe quedar claramente determinada a los efectos de delimitar su responsabilidad. La relación que guarda el anterior articulo y el presente radica en la responsabilidad de los profesionales en la ejecución de los proyectos.
28
La relación que guarda el anterior articulo y el presente radica diferentes aspectos
del proyecto y de la ejecución de construcciones, instalaciones y trabajos, la
participación de los profesionales.
Artículo 17.
Durante el tiempo de ejecución de una construcción, instalación o trabajo eso obligatoria para el empresario, la colocación en la obra, en sitio bien visible al público, de un cartel que contenga el nombre de la empresa y del profesional o profesionales responsables, junto con el número de inscripción de estos últimos en el Colegio de Ingenieros de Venezuela, a los efectos de lo dispuesto en el artículo anterior.
La relación que guarda el anterior articulo y el presente radica en la importancia
de la colocación en la obra, en sitio bien visible al público, de un cartel que contenga
el nombre de la empresa y del profesional o profesionales responsables.
Norma Covenín
La norma Covenin 1756 [16] en su capítulo 12 establece algunos lineamientos
para la evaluación, adecuación o reparación de una edificación existente
respondiendo a la necesidad de poder evaluar edificaciones que fueron construidas
antes de su publicación. Edificaciones que por su estructuración, forma, poca
ductilidad, desplazabilidad, pueden ser vulnerables ante la acción de sismos severos,
y en algunas ocasiones de sismos moderados.
La necesidad de proveer algunos métodos sencillos para predecir el
comportamiento no-lineal de las estructuras ante la acción de sismos y poder adaptar
estos métodos a la práctica común ingenieril fue claramente necesaria. Desde hace
algunos años se han desarrollado documentos y especificaciones para evaluar
edificaciones y determinar su grado de vulnerabilidad.
La Norma Covenin 1618-98 “Se autorizara el uso de las conexiones semirrigidas
descritas en el artículo 3.4, cuando se cumpla los siguientes requisitos:
29
1. la resistencia minorada de la conexión satisface los requisitos del Artículo 2. La
resistencia teórica a flexión de la conexión es igual o mayor que la mitad del
momento plástico de las vigas o columnas conectadas; cualquier que sea el menor.
3. la conexión ha demostrado en ensayos bajo cargas cíclicas que tiene una adecuada
capacidad de rotación para la deriva del entrepiso calculada conforme a los requisitos
de la norma venezolana COVENIN 1618-98 Edificaciones Sismorresistentes.
4. En el diseño se ha considerado la rigidez y la resistencia de las conexiones
semirrigidas, incluyendo los efectos sobre la estabilidad del conjunto de la
edificación.” AISC: Seismicprovision.
Es decir exigir el ensayo de todas las conexiones de un determinado proyecto. En
muchos casos los ensayos reportados en la literatura pueden ser utilizados para
demostrar que la conexión satisface los requisitos de capacidad resistente y rotación
inelástica exigidos, siempre y cuando esos ensayos satisfagan los requisitos.
Sistema de Variables
Las variables se presentan o se manifiestan como sistema, dos o más variables
constituyen un sistema de variables. Aparentemente una variable no constituye un
sistema, pero es la expresión del efecto de un sistema. Todo lo que existe en el
universo es la expresión de las relaciones interactivas de variables.
Las variables para Arias (2006), representan:”las diferentes condiciones,
cualidades y características o modalidades que asumen los objetos de estudio desde el
inicio de la investigación” (p. 72). Por lo tanto, constituye el soporte de los conceptos
emitidos en el marco teórico. Las variables se clasifican según su capacidad o nivel
en que estas permitan medir los objetos de estudio, es decir, dependiendo de su propia
naturaleza, características o propiedades. De igual manera un sistema de variables
permite generar un conjunto de preguntas de manera coherente, de allí que se le
considere como un sistema de preguntas.
30
Objetivos Variable Definición de la Variable
Analizar la estructura bajo condiciones
constructivas de los sistemas Pórticos
resistentes a momento con capacidad especial
de disipación de energía (SMF) y Pórticos
con arriostramientos concéntricos con
capacidad especial de disipación de Energía
(SCBF).
Estructura (SMF) Y (SCBF).
SMF: son los que presenta mayor capacidad de disipación de energía.
SCBF: son diseñados para desarrollar deformaciones inelásticas significativas.
Diseñar los nodos de unión de los elementos
estructurales.
Nodos de Unión.
Los nodos son cada uno de los puntos donde concurren dos o más barras
Determinar la adaptabilidad de los sistemas
en condiciones sismorresistentes.
Condiciones Sismorresistentes.
Son los requisitos que debe tener una estructura para soportar un sismo de gran magnitud.
Comparar la estructura de acero con una de
concreto armado ya existente.
Estructura de Acero con una de Concreto Armado.
Son estructuras donde se emplean únicamente el acero.Las estructuras de concreto armado son la combinaciones del acero (cabillas) con el concreto pudiendo soportan fuerzas a tracción y compresión
Cuadro Nº 2.Sistema de Variables. El Autor (2015)Definición de Términos Básicos
Acero: material compuesto por una aleación de hierro y carbono.
31
Arriostramiento: es la acción de rigidizar o estabilizar una estructura mediante el
uso de elementos que impidan el desplazamiento o deformación de la misma.
Cedencia o fluencia: es la deformación irrecuperable del elemento.
Ciclaje: es el número de veces que se repiten los esfuerzos en un elemento.
Concéntrico: dicho de figuras y sólidos que tienen un mismo centro.
Diseño: proceso o labor destinados a proyectar, coordinar, seleccionar y organizar un
conjunto de elementos para producir y crear objetos visuales.
Edificio: Construcción fija, hecha con materiales resistentes, para habitación humana
u otros usos.
Elástico: dicho de un cuerpo que puede recobrar completamente su forma y
extensión tan pronto como cese la acción que las alteraba.
Estructura: Armadura, generalmente de acero u concreto armado, que fija al suelo,
sirve de sustentación a un edificio.
Histéresis: es la oposición que presenta un material a un cambio de estado, que una
vez que se ha producido, cambia de sentido y se opone a volver al estado anterior
Inelástico: deformación permanente en el material y que por lo tanto no desaparece
cuando cesa la causa que lo ha producido.
Nodo: La zona completa de intersección de columnas y vigas.
Rigidez: es la resistencia a la deformación de un miembro o estructura medida como
la razón entre la fuerza aplicada, divida por el correspondiente desplazamiento
SCBF: Pórticos con arriostramientos concéntricos con capacidad especial de
disipación de Energía (Special Concentrically Braced Frames).
Sistemas: conjunto de cosas que relacionadas contribuyen a determinado objeto.
SMF: Pórticos resistentes a momento con capacidad especial de disipación de energía
(Special Moment Frames).
Tolerancia: es la capacidad de un sistema de seguir e funcionamiento aun en caso de
producirse algún fallo.
32
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
El marco metodológico se refiere a los métodos que deben seguirse para la
consecución del fin fundamental del trabajo. Balestrini (2001) señala con respecto a
esta parte de la investigación que:
…está referido al momento que alude al conjunto de procedimientos lógicos, tecno-operacionales implícitos en todo el proceso de investigación, con el objeto de ponerlos en manifiesto y sistematizarlos; a propósito de permitir descubrir y analizar los supuestos del estudio y convencionalmente operacionalizados. (p. 125)
Como se infiere del texto anterior, en este apartado se mencionaran los
procedimientos metodológicos utilizados con el fin de dar respuesta a las
interrogantes planteadas y alcanzar el objetivo general propuesto.
Modalidad de la Investigación
Para elaborar el presente Trabajo Especial de Grado, se ha considerado la
modalidad de un proyecto factible, el cual según la Universidad Pedagógica
Experimental Libertador (UPEL, 2007) “(…) consiste en la investigación,
elaboración y desarrollo de una propuesta de un modelo operativo viable para
solucionar problemas, requerimientos o necesidades de organizaciones o grupos
sociales (…) (p. 14).
En este orden de ideas dado que el presente estudio se ubica en la modalidad de
proyecto factible, fue necesario realizar un diagnóstico de necesidades se implementó
33
la investigación de campo. La cual es definido por Sabino (2004) como la
investigación que “se basa en información o datos primarios obtenidos directamente
de la realidad. Sin darle valor decide en que a través de ello el investigador puede
cerciorarse de las verdaderas condiciones en que se han conseguido los datos”. (p.
97).
Con referencia a lo anterior se puede sugerir, que se realiza observando
directamente a los grupos, fenómenos, hechos significativos, conductas, en su propio
ambiente, es decir, en el medio donde estos se desenvuelven. Para tal fin se diseñó un
instrumento de recolección de datos el cual permitió recopilar los datos pertinentes al
proceso de investigación.
Tipo de Investigación
De acuerdo a la naturaleza y características del problema objeto de estudio, esta
investigación se enmarco bajo un diseño de investigación de campo dentro de un
nivel de investigación descriptiva.
Hurtado (2010), señala que la investigación Descriptiva: Tiene como objetivo la
descripción precisa del evento de estudio. Este tipo de investigación se asocia al
diagnóstico”. (p. 85). En la investigación descriptiva el propósito es:
…exponer sus características, de modo tal que en los resultados se pueden obtener dos niveles dependiendo del fenómeno y del propósito del investigador: un nivel más elemental, en el cual se logra una clasificación de la información de función de características comunes (ob.cit.)
Lo citado, se puede decir que la investigación descriptiva no es más que el análisis
detallado que se realiza al grupo, comunidades o cualquier otro fenómeno del cual se
requiera conocer o estudiar. Así mismo, este tipo de investigación trabaja con uno o
con varios eventos de estudio, pero su intención no es establecer relaciones de
casualidad entre ellos, si no detallar con precisión lo investigado.
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En relación con este planteamiento, en el que se desarrolló el tema de estudio,
siendo el objetivo principal de proponer la estructura de un edificio de acero bajo las
condiciones constructivas de los sistemas Pórticos resistentes a momento con
capacidad especial de disipación de energía (SMF) y Pórticos con arriostramientos
concéntricos con capacidad especial de disipación de Energía (SCBF) para el Centro
Clínico Pamela, en Maiquetía, estado Vargas tiene un nivel descriptivo porque de
acuerdo al problema observado se trabaja con uno o con varios eventos de estudio,
pero su intención no es establecer relaciones de casualidad entre ellos, si no detallar
con precisión lo investigado.
Procedimientos
Fases
En el marco teórico de los objetivos planteados en la presente investigación es
preciso mostrar los pasos concretos que facilitaron la información referente a la
elaboración de la investigación, la cual se llevó a cabo de la siguiente manera:
Primera Fase: Selección del tema, ampliación de la información, formulación del
problema, elaboración de los objetivos, justificación y delimitación de la
investigación.
Segunda Fase: En esta fase se elabora el marco teórico conformado por los
antecedentes de la investigación, las bases teóricas, las técnicas empleadas para la
recolección de datos, además se expresa el resumen y la recopilación de todos los
hechos registrados en el material bibliográfico y en las averiguaciones previas del
estudio de investigación.
Tercera Fase: Elaboración del marco metodológico: esta fase está compuesta por
la modalidad y el tipo de investigación, selección de la población y muestra, así como
las técnicas e instrumentos de recolección de datos y operacionalización de variables,
población y muestra, instrumento de recolección de datos.
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Operacionalización de las Variables
Por variable se entiende generalmente, una característica o cualidad de un sujeto,
objeto, o fenómeno, susceptible a ser modificada en su magnitud ya que dicha
modificación o variación pueda ser cuantificada o medida. Es por ello que, en los
trabajos de investigación, las variables constituyen el centro de estudio y se presentan
incorporadas en los objetivos específicos, corresponde en esta parte del trabajo
identificarlas y de ser necesario clasificarlas según sea la relación que guarden entre
sí.
La Operacionalización de las variables, permitirá definirlas con el objeto de
unificar criterios de evaluación y poder comprender su comportamiento en el
fenómeno de este estudio, donde se detalla las variables que guardan relación con la
presente investigación. Es por eso que, adicionalmente de atribuir las variables más
sencillas, son las características que tienen las cosas de modificar su estado actual, es
decir, de variar y asumir valores diferentes o valores fijos.
En la Universidad Santa María (USM), el Manual de Trabajos de Grado,
determina que la operacionalización de variables: “representa el desglosamiento de la
misma en aspectos cada vez más sencillos que permitan la máxima aproximación
para poder medirla, estos aspectos se agrupan bajo las denominaciones de
dimensiones, indicadores y de ser necesario sub indicadores”. (p. 37).
Lo citado, se puede decir que la operacionalización, es el resultado mediante la
cual la variable se convierte en términos concretos, observables y medibles bien sea
de manera cuantitativa o cualitativa.
Esto indica que se debe trabajar cada variable de forma independiente para
conocer exactamente los objetivos específicos de la investigación, por lo tanto se usa
lo mencionado para estudiar los objetivos de manera independiente y así poder
obtener un resultado y conocimiento satisfactorio:
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OBJETIVOS ESPECÍFICOS
VARIABLES DIMENSIÓN INDICADOR
Determinar la estructura bajo condiciones constructivas de los sistemas Pórticos resistentes a momento con capacidad especial de disipación de energía (SMF) y Pórticos con arriostramientos concéntricos con capacidad especial de disipación de Energía (SCBF).
Estructura bajo condiciones constructivas (SMF) Y (SCBF).
Estructural Estructura de aceroSístemas Pórticos resistentes a momento con capacidad especial de disipación de energía (SMF)Pórticos con arriostramientos concéntricos con capacidad especial de disipación de Energía (SCBF).
Diseñar los nodos de unión de los elementos estructurales.
Nodos de unión Como se Comportan
Diseño de Conexiones.
Establecer la adaptabilidad de los sistemas en condiciones sismorresistentes.
Condiciones Sismorresistentes.
Adaptarlo a las Condiciones
Revisión de los Requerimiento Mínimos Exigidos por la Norma.
Comparar la estructura de acero con una de concreto armado ya existente.
Estructura de Acero con una de Concreto Armado.
Operativo.Ventajas
Desventajas
Cuadro N° 3. Operacionalización de las Variables. Fuente: El Autor (2014).
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Población y Muestra
La población es la totalidad del fenómeno a estudiar en donde las unidades de
población poseen una característica común, la cual estudia y da origen a los datos de
la investigación es denominada como los sujetos que forman el estudio. Tamayo y
Tamayo (2005) plantean que: “Una población está determinada por sus características
definitorias, por tanto, el conjunto de elemento que posea esta característica.” (p. 92).
Refiere el autor que la población es un conjunto de personas o elementos con
características similares.
En resumen, una población es la representación general de objetos con
características similares que serán usados para la investigación.
Para efectos de esta investigación y el planteamiento inicial del problema, se hace
referencia que esta sección está dirigida a la propuesta de Edificio de Acero ubicado
en Maiquetía, Estado Vargas.
La muestra es en esencia el principio en que las partes representan al todo y como
tal, a las características que la definen, la cual nos indica que es representativa, y por
tanto la validez de la generalización depende de la validez y el tamaño de la muestra.
Para Tamayo y Tamayo (2005) “Es la parte o porción extraída de un conjunto por
métodos que permiten considerarla como representativa de él”. (p. 55).
Expresa el autor que la muestra es considerada por un grupo relativamente
pequeño de una población que presenta características semejantes a la misma, es una
porción de la población. En este sentido, habiendo ya identificado la población se
determinó que no tiene muestra ya que será la misma población por ser pequeña y
finita
Técnicas e Instrumento de Recolección de Datos
La recolección de datos se realiza mediante técnicas e instrumentos para recopilar
información acerca de un determinado tema que es objeto de investigación, esta es
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una de las tareas más importantes en la etapa de análisis de sistemas de información,
pues de ello depende el producto que se desea desarrollar.
Para Arias, (2006) “Las técnicas de recolección de datos son las distintas formas o
maneras de obtener la información.”, igualmente “Los instrumentos son los medios
materiales que se emplean para recoger y almacenar la información.” (p. 99)
Esta investigación está fundamentada en la obtención de información a través de
métodos visuales y estudios de las necesidades que en el sector de Maiquetía,
presentaba con el requerimiento de un Centro Clínico para la zona.
Instrumentos de recolección de datos
Los instrumentos de recolección de datos deben tener ciertos parámetros y cumplir
con ciertas condiciones, sin salirse del cometido y arrojar la misma información
cuando se vuelve a medir la característica en situaciones similares. A través de estos
instrumentos se busca obtener información que permita proponer la estructura de un
edificio de acero bajo las condiciones constructivas de los sistemas Pórticos
resistentes a momento con capacidad especial de disipación de energía (SMF) y
Pórticos con arriostramientos concéntricos con capacidad especial de disipación de
Energía (SCBF) para el Centro Clínico Pamela, en Maiquetía, estado Vargas, razón
por la cual la recolección de datos debe cumplir con una característica básica que es
la confiabilidad.
En tal sentido, para dar cumplimiento a las características mencionadas los
métodos que se aplicaron fueron mayormente visuales, apunte de notas y cálculos y
los instrumentos que se destinaron para tal investigación fueron las normas
COVENIN enmarcadas en la sismorresistencia y el acero, cuadernos de apuntes,
lápiz, calculadora y herramientas de cálculo.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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