UNIVERSIDAD CATÓLICA ANDRÉS BELLO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

Estudio de factibilidad técnico-económica para la

sustitución de la estructura original de concreto de la “Plaza

de la Virgen”, por una de acero estructural en el proyecto de

la catedral de Ciudad Guayana

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

Presentado ante la

UNIVERSIDAD CATÓLICA ANDRÉS BELLO

Como parte de los requisitos para optar al título de

INGENIERO CIVIL

REALIZADO POR Víctor J. GIL T.

Dhayana WEHBE N.

PROFESOR GUÍA Ludwig A. MONCRIEFF B.

FECHA Mayo, 2016

ii

Dedicado:

A mis padres, Najibe Nakad y Ali Wehbe, por ser mi principal razón y motivación

para alcanzar este gran logro; por brindarme su amor, cariño y apoyo incondicional

en todo momento; por alentarme a ser mejor en cada objetivo que me proponga, por

darme la oportunidad de alcanzar esta meta, y por muchas cosas más,

esto también es de ustedes.

A mis hermanos, por acompañarme y ser parte de mí siempre, porque con ellos mi

vida y felicidad está completa.

A mi tía, Elke Nakad, y mi Yitdo Ricardo, por estar siempre presentes

brindándome su apoyo en todo momento que lo necesité.

A mis amigos, por ayudarme, darme fuerzas y acompañarme durante el transcurso

de nuestra carrera, compartiendo conmigo los mejores y los más difíciles momentos.

Dhayana Wehbe Nakad

Dedicado:

A mi madre, Yamile Trébol y a mi abuela, Lesbia Ordaz, por ser mi principal

razón y motivación para alcanzar este gran logro, gracias a ellas hoy soy la persona

que soy y todo esto va dedicado principalmente a las mujeres que me formaron como

persona y me guiaron toda mi vida hasta su momento. Aunque no estén aquí para

presenciar este trabajo espero que desde donde estén vean con mucha felicidad este

gran logro que gracias a ellas hoy estoy realizando, esto es para ustedes.

A mi padre, Victor Gil por brindarme su amor, cariño y apoyo incondicional en

todo lo que hago, por hacerme una mejor persona y un mejor hijo, alentarme a ser

mejor en cada meta que me proponga y por muchas cosas más, esto es para tí.

A mis hermanas y hermanos, por estar siempre junto a mí y ser parte de mí los

amo y espero siempre estar a su lado.

A mis sobrinos y sobrina por ser uno de mis grandes motivos de felicidad y

gracias a ellos mis metas se ven cada vez más cerca ya que son una razón más para

seguir adelante.

A mi abuelo y a mi tío Manuel Trébol, por siempre estar ahí cuando los necesitaba

por criarme y ayudarme a ser mejor persona.

A mi tío Francisco Trébol por ser mi ejemplo a seguir, de él aprendí que la vida

no es fácil y siempre hay que seguir adelante, gracias por siempre demostrar que si

alguien se esfuerza lograra siempre sus objetivos, esto es para ti.

A mis amigos, por ayudarme y acompañarme durante el transcurso de nuestra

carrera compartiendo siempre junto a mí en los buenos y malos momentos.

Victor Javier Gil Trébol

iv

Agradecimientos

Primeramente agradezco a Dios, por brindarme una vida llena de experiencias,

aprendizajes, una familia llena de amor, amigos muy especiales que me rodean, y sobre

todo de felicidad. Por acompañarme siempre en cada paso que doy, dándome fuerza y

sabiduría, guiándome hacia el éxito en todas las metas que me he trazado.

Agradezco a mis padres, Najibe Nakad y Ali Wehbe por su amor y confianza a lo

largo de mi vida, por brindarme su apoyo en todo momento para lograr mis objetivos,

por enseñarme y motivarme a luchar para alcanzar todo lo que me proponga, soñando

siempre en grande. Gracias a ustedes por haberme dado la oportunidad de tener una

excelente educación y acompañarme en cada etapa de mi vida, guiándome hacia el

éxito.

Con mucho cariño agradezco a nuestro profesor y tutor Ludwig Moncrieff, por el

apoyo incondicional y ayuda brindada, por la confianza que depositó en nosotros y por

guiarnos durante la realización de este Trabajo de Grado, ayudándonos a crecer

profesionalmente y asesorándonos en todo lo necesario.

Al ingeniero Jose Zorrilla, gracias por brindarnos su ayuda y estar presente en cada

etapa del Trabajo de Grado, por habernos asesorado en todo lo necesario mostrándonos

siempre técnicas para crecer como buenos ingenieros y enseñándonos cosas nuevas y

necesarias para nuestra vida profesional.

A los ingenieros Juan José Padrón, Yolanda Montesinos, Elizabeth Ricardo, Adolia

Rosales y a todos los profesores que de alguna manera nos prestaron su apoyo,

conocimientos y asesoría cada vez que la necesitábamos.

v

A mi compañero, Víctor Gil, por la dedicación que aplica en todo lo que hace, por

acompañarme siempre, brindarme tranquilidad y paciencia, por entenderme y

aceptarme a pesar de todo. Gracias por haber estado siempre conmigo durante nuestra

carrera universitaria, estudiando, subiéndome los ánimos y brindándome tu amistad,

por estar siempre dispuesto a trabajar, investigar, mejorar nuestro trabajo y aprender,

pero sobre todo, por ser el mejor compañero de estudio e investigación que se puede

tener, además de un amigo incondicional.

A mis compañeros de clases, que durante el transcurso de nuestra carrera

universitaria se volvieron mis mejores amigos, compañeros de horas de estudio,

frustraciones y lágrimas, pero sobretodo de alegrías, viajes y buenos momentos.

Gracias por esa amistad, apoyo y compañerismo que siempre me brindaron, y por todos

esos momentos de adversidades que superamos juntos y con éxitos.

Por ultimo a la Universidad Católica Andres Bello, por ser nuestro segundo hogar,

por abrirnos las puertas, brindarnos la oportunidad y las instalaciones para tener una

educación digna y excelente, por siempre ofrecer ayuda a todos los estudiantes sin

excepción, para lograr nuestra meta de formarnos como profesionales íntegros.

Dhayana Wehbe Nakad

vi

Agradecimientos

Ante todo agradezco a Dios, por darme una vida llena de experiencias, por

brindarme una familia llena de amor a pesar de todas las experiencias que hemos

vivido, amigos que me rodean y sobre todo de felicidad. Por estar ahí en cada momento

que lo necesite y darme las fuerzas para seguir adelante guiándome al éxito en lo que

me proponga.

Agradezco a mi padre, Victor Gil por todo el amor y la confianza que me ha

otorgado a lo largo de mi vida, por darme su apoyo en toda ocasión para lograr mis

objetivos, por estar siempre ahí para enseñarme y motivarme a alcanzar mis metas y

seguir siempre adelante en lo que me proponga. Gracias por sacrificar tanto para que

pudiera tener una excelente educación y acompañarme no solo a mí también a mi

hermano en los momentos que más te necesitábamos, gracias a ti hoy todo esto es

posible, gracias por guiarme al éxito.

Con mucho aprecio agradezco a nuestro profesor y tutor Ludwig Moncrieff, por el

apoyo incondicional y ayuda brindada, por la confianza que deposito en nosotros y por

guiarnos durante la realización de este Trabajo de Grado, ayudándonos a crecer

profesionalmente y asesorándonos en todo lo necesario.

Al ingeniero José Zorrilla, gracias por brindarnos su ayuda y estar presente en cada

etapa del Trabajo de Grado, por habernos asesorado en todo lo necesario mostrándonos

siempre técnicas para crecer como buenos ingenieros y enseñándonos cosas nuevas y

necesarias para nuestra vida profesional.

A los ingenieros Juan José Padrón, Yolanda Montesinos, Elizabeth Ricardo, Adolia

Rosales y a todos los profesores que de alguna manera nos prestaron su apoyo,

conocimientos y asesoría cada vez que la necesitábamos.

vii

A mi compañera, Dhayana Wehbe, por toda la visión que se plantea para lograr lo

que se propone, por siempre dedicarle un 100% a lo que hace, por acompañarme

siempre, por darme tranquilidad y paciencia, por apoyarme en las decisiones tomadas

y sobre todo por ser mi amiga, gracias a ella por estar en las buenas y en las malas a lo

largo de nuestra carrera y por tratarme como uno más de su familia. Gracias por estar

dispuesta a trabajar conmigo en esta investigación y aprender junto a mí muchas cosas,

pero sobre todo por ser la mejor compañera de estudio y amiga que se pueda tener.

A la señora Najibe Nakad, por ayudarnos en nuestro Trabajo de Grado, por ser

como una segunda madre para mí durante estos días, gracias por ser la persona que es

y por el apoyo incondicional que nos brindó. Gracias por tratarme como un hijo más

en su casa y por toda la felicidad que transmite a su familia.

A mis compañeros de clase, que durante el transcurso de nuestra carrera se volvieron

mis mejores amigos, gracias por acompañarme en cada momento de mi carrera tanto

en las buenas como en la malas, gracias por esa amistad, apoyo y compañerismo que

siempre me han brindado, y por todas las adversidades que hemos superado juntos y

con éxito.

Por ultimo a la Universidad Católica Andrés Bello, por ser nuestro segundo hogar,

por abrirnos las puertas, brindarnos la oportunidad y las instalaciones para tener una

educación digna y excelente, por siempre ofrecer ayuda a todos los estudiantes sin

excepción, para lograr nuestra meta de formarnos como profesionales íntegros.

Victor Javier Gil Trébol

viii

Índice

AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. IV

AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. VI

ÍNDICE .................................................................................................................... VIII

ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................. XIV

ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................ XVI

RESUMEN ................................................................................................................ XX

INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 21

CAPÍTULO I ............................................................................................................... 24

OBJETIVO GENERAL ................................................................................................. 26

OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................................... 26

JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................... 27

ALCANCE Y DELIMITACIÓN ...................................................................................... 28

CAPÍTULO II ............................................................................................................. 29

ANTECEDENTES ....................................................................................................... 29

BASES TEÓRICAS...................................................................................................... 30

Acero ................................................................................................................... 30

Acero estructural ............................................................................................. 31

Propiedades Mecánicas del Acero .................................................................. 31

Ventajas del Acero como material estructural ................................................ 34

Desventajas del Acero como material estructural ........................................... 36

Clasificación de los Aceros ............................................................................. 38

Perfiles Estructurales ........................................................................................... 41

Especificaciones y códigos de construcción ....................................................... 42

Cargas sobre las estructuras ................................................................................ 43

Acciones permanentes ..................................................................................... 43

ix

Acciones variables .......................................................................................... 48

Acciones extraordinarias ................................................................................. 48

Acciones accidentales. .................................................................................... 48

Acciones del sismo. ......................................................................................... 48

Acciones del viento ......................................................................................... 59

Métodos de diseño en acero ................................................................................ 69

Diseño en rango elástico (ASD) ...................................................................... 69

Diseño con factores de carga y resistencia (LRFD) ........................................ 70

Estados limites ............................................................................................ 71

Factores de carga ......................................................................................... 72

Factores de minoración de resistencia......................................................... 73

Conexiones .......................................................................................................... 74

Tipos de Conexiones ....................................................................................... 74

Soldadura ............................................................................................................ 76

Ventajas de las soldaduras. ............................................................................. 76

Procedimiento para soldar. .............................................................................. 77

Tipo de juntas Soldadas .................................................................................. 78

Clasificación de las soldaduras ....................................................................... 79

Soldaduras de Ranura .................................................................................. 80

Soldaduras de filete ..................................................................................... 81

Procedimiento de diseño de conexiones soldadas ........................................... 82

Diseño de soldadura de filete para miembros de armadura ............................ 84

Pernos .................................................................................................................. 87

Tipos de agujeros para pernos ......................................................................... 90

Espaciamiento entre conectores ...................................................................... 91

Tipos de juntas ................................................................................................ 92

Áreas netas, totales y efectivas........................................................................ 93

Forma de trabajo de los pernos ....................................................................... 96

Fallas en las uniones con conectores mecánicos ........................................... 100

Capacidad resistente de las uniones con conectores mecánicos ................... 101

x

Capacidad resistente de los conectores. ........................................................ 101

Capacidad de resistencia a tracción de los pernos ................................... 101

Capacidad resistente a corte en deslizamiento critico ............................... 102

Deslizamiento critico bajo cargas de servicio ....................................... 102

Deslizamiento critico en agotamiento resistente ................................... 103

Capacidad resistente a corte por aplastamiento ............................................ 104

Capacidad resistente de las planchas............................................................. 104

Capacidad resistente de las planchas por aplastamiento ........................... 104

Capacidad resistente de las planchas por desgarramiento (Ruptura en corte).

................................................................................................................... 106

Capacidad resistente por cedencia en la sección del área total. .................... 106

Capacidad resistente por fractura en la sección del área neta. ...................... 106

Capacidad resistente por bloque de corte ...................................................... 107

Losacero ............................................................................................................ 108

ETABS 2015 ..................................................................................................... 109

LuloWinNG – Control de obras ........................................................................ 110

GLOSARIO DE TÉRMINOS ........................................................................................ 110

BASES LEGALES ..................................................................................................... 114

CAPÍTULO III .......................................................................................................... 117

TIPO DE INVESTIGACIÓN ........................................................................................ 117

DISEÑO DE INVESTIGACIÓN .................................................................................... 118

UNIDAD DE ANÁLISIS DE INVESTIGACIÓN .............................................................. 118

TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ..................................... 119

Técnicas de recolección de datos ...................................................................... 119

Análisis Documental ......................................................................................... 119

Instrumento ....................................................................................................... 120

Ficha técnica...................................................................................................... 120

PROCEDIMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN ................................................................. 120

Presentación y análisis de los resultados ........................................................... 121

xi

CAPÍTULO IV .......................................................................................................... 122

ESTRUCTURA DE LA CATEDRAL .............................................................................. 122

DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA EN CONCRETO ................................................... 126

Material. ............................................................................................................ 126

DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA DE ACERO ......................................................... 126

Material. ............................................................................................................ 127

Secciones. .......................................................................................................... 127

Determinación de las acciones sobre la estructura ............................................ 128

Acciones Permanentes .................................................................................. 128

Estimación de peso del espejo de agua. ........................................................ 128

Estimación del peso de la estatua de la Virgen. ............................................ 129

Acciones Variables........................................................................................ 129

Acciones del viento ....................................................................................... 130

Acciones del sismo ........................................................................................ 132

Combinaciones y casos de carga ....................................................................... 135

Análisis y diseño de la estructura de acero ....................................................... 137

Deformaciones .................................................................................................. 139

Resultados de diseño ......................................................................................... 140

Conexiones ........................................................................................................ 143

Conexión 1 .................................................................................................... 143

Conexión 2 .................................................................................................... 153

Conexión 3 .................................................................................................... 163

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS CONSTRUCTIVOS ............................. 169

PRESUPUESTOS Y ANÁLISIS DE COSTOS .................................................................. 171

Presupuesto de la construcción del sistema resistente de la Plaza de la Virgen en

concreto pretensado. .......................................................................................... 171

Presupuesto de la construcción del sistema resistente de la Plaza de la Virgen

planteado en acero estructural. .......................................................................... 171

Matriz comparativa de los parámetros constructivos del sistema resistente de la

Plaza de la Virgen. ............................................................................................ 172

xii

Análisis de la matriz comparativa de los sistemas constructivos del sistema

resistente de la Plaza de la Virgen..................................................................... 177

CAPÍTULO V ........................................................................................................... 178

CONCLUSIONES ...................................................................................................... 178

RECOMENDACIONES ............................................................................................... 179

BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 181

ANEXO A: FOTOS RECIENTES DE LA CONSTRUCCIÓN DE LA CATEDRAL

DE CIUDAD GUAYANA ........................................................................................ 183

ANEXO B: PLANOS ARQUITECTÓNICOS Y ESTRUCTURALES DE LA PLAZA

DE LA VIRGEN, PARA EL PROYECTO PLANTEADO EN CONCRETO ........ 188

ANEXO C: TABLA DE PERFILES ESTRUCTURALES ...................................... 189

ANEXO D: ELABORACIÓN DEL MODELO ESTRUCTURAL EN ETABS 2015,

ANÁLISIS Y DISEÑO. ............................................................................................ 192

ANEXO E: PLANOS DEL MODELO ESTRUCTURAL DE LA PLAZA DE LA

VIRGEN PROPUESTO EN ACERO ....................................................................... 198

ANEXO F: PRESUPUESTO DE LA CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA

RESISTENTE DE LA PLAZA DE LA VIRGEN PLANTEADO EN CONCRETO

PRETENSADO. ........................................................................................................ 199

ANEXO G: ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIO DE LA ESTRUCTURA DE LA

“PLAZA DE LA VIRGEN” PLANTEADO EN ACERO ESTRUCTURAL. ......... 200

ANEXO H: PRESUPUESTO DE LA CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA

RESISTENTE DE LA PLAZA DE LA VIRGEN PLANTEADO EN ACERO

ESTRUCTURAL. ..................................................................................................... 201

ANEXO I: ESPECIFICACIONES DE LOS ELEMENTOS PREFABRICADOS

SUMINISTRADOS POR EL PROVEEDOR, PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA

xiii

ESTRUCTURA EN CONCRETO PRETENSADO. OBTENIDO DEL MANUAL DE

PREVENCA .............................................................................................................. 202

xiv

Índice de tablas

TABLA 1. TIPOS DE ACERO, TENSIONES CEDENTES Y ÚLTIMAS ..................................... 40

TABLA 2. PESOS UNITARIOS DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN ................................. 44

TABLA 3. PESOS UNITARIOS PROBABLES DE ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS .................. 45

TABLA 4. VALORES DE AO ............................................................................................ 50

TABLA 5. FORMA ESPECTRAL Y FACTOR DE CORRECCIÓN ............................................ 51

TABLA 6. FACTOR DE IMPORTANCIA ............................................................................ 52

TABLA 7. NIVELES DE DISEÑO ...................................................................................... 53

TABLA 8. FACTOR DE REDUCCIÓN R ............................................................................ 55

TABLA 9. VALORES DE T*, Β Y P .................................................................................. 58

TABLA 10. VALORES DE T+ .......................................................................................... 58

TABLA 11. FACTOR DE IMPORTANCIA EÓLICA .............................................................. 60

TABLA 12. COEFICIENTE DE EXPOSICIÓN A LA PRESIÓN DINÁMICA KZ O KH ................ 65

TABLA 13. VELOCIDAD BÁSICA DEL VIENTO (V) KM/H ................................................ 66

TABLA 14. COEFICIENTE DE ARRASTRE K SOBRE UNA SUPERFICIE ............................... 66

TABLA 15. COEFICIENTE DE ARRASTRE K SOBRE UNA SUPERFICIE ............................... 67

TABLA 16. ACCIONES DEL SISTEMA RESISTENTE AL VIENTO ........................................ 68

TABLA 17. FACTORES DE MINORACIÓN DE RESISTENCIA .............................................. 73

TABLA 18. COMPATIBILIDAD DE ELECTRODOS CON EL METAL BASE ............................ 78

TABLA 19. RESISTENCIA A LAS SOLDADURAS .............................................................. 85

TABLA 20. TENSIONES ADMISIBLES EN CONECTORES ................................................... 89

TABLA 21. ESFUERZOS DE AGOTAMIENTO TRACCIÓN FU DEL ACERO DE LOS PERNOS

ESTRUCTURALES .................................................................................................. 90

TABLA 22. DIMENSIONES NOMINALES DE AGUJEROS .................................................... 92

TABLA 23. FUERZAS MÍNIMAS A TRACCIÓN EN LOS PERNOS ......................................... 97

TABLA 24. DISEÑO DE PERNOS ..................................................................................... 98

TABLA 25. CAPACIDAD RESISTENTE EN LOS PERNOS .................................................. 100

TABLA 26. PARAMETROS SISMICOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL ESPECTRO DE DISEÑO

........................................................................................................................... 133

xv

TABLA 27. COMBINACIONES DE CARGA ..................................................................... 138

TABLA 28. RELACIÓN DEMANDA/CAPACIDAD DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES MÁS

SOLICITADOS ...................................................................................................... 141

TABLA 29. PROPIEDADES GEOMÉTRICAS DE LOS MATERIALES ................................... 144

TABLA 30. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES........................................................... 144

TABLA 31. RESUMEN DE RESULTADOS ....................................................................... 153

TABLA 32. PROPIEDADES GEOMÉTRICAS DE LOS MATERIALES ................................... 155

TABLA 33. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES........................................................... 155

TABLA 34. RESUMEN DE RESULTADOS ....................................................................... 163

TABLA 35. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES........................................................... 165

TABLA 36. PROPIEDADES GEOMÉTRICAS DE LOS MATERIALES ................................... 165

TABLA 37. VENTAJAS, DESVENTAJAS, CARACTERISTICAS ARQUITECTONICAS Y

FUNCIONALES DE LOS SISTEMAS CONSTRUCTIVOS .............................................. 170

TABLA 38. MATRIZ COMPARATIVA DE LOS PARAMÉTROS DE CONSTRUCCIÓN DEL

SISTEMA RESISTENTE DE LA PLAZA Y ESTACIONAMIENTO DE LA CATEDRAL DE

CIUDAD GUAYANA, CON EL USO DE CONCRETO PRETENSADO Y ACERO

ESTRUCTURAL .................................................................................................... 173

Índice de figuras

FIGURA 1. GRÁFICA ESFUERZO-DEFORMACIÓN PARA VARIOS GRADOS DE ACERO

ESTRUCTURAL. ..................................................................................................... 32

FIGURA 2. GRÁFICA ESFUERZO-DEFORMACIÓN PARA VARIOS GRADOS DE ACERO

ESTRUCTURAL. TOMADO DE MANUAL DE DISEÑO PARA LA CONSTRUCCIÓN CON

ACERO (2013), P. 14 ............................................................................................. 33

FIGURA 3. SECCIONES DE PERFILES DE ACERO DE USO COMÚN EN VENEZUELA. TOMADO

DE LA NORMA COVENIN 1618-98, P. C-7 .......................................................... 41

FIGURA 4. MAPA DE ZONIFICACIÓN SÍSMICA DEL PAÍS, CON FINES DE INGENIERÍA

(1999). EXTRAÍDA DE LA NORMA COVENIN 1756:2001 .................................... 49

FIGURA 5. DIAGRAMA DE ESPECTRO DE RESPUESTA ELÁSTICO (R=1). TOMADA DE

NORMA COVENIN 1756:2001 ............................................................................ 58

FIGURA 6. COEFICIENTE CP PARA EL CÁLCULO DE LAS ACCIONES EXTERNAS SOBRE LOS

TECHOS PLANOS DE SISTEMAS RESISTENTES AL VIENTO. TOMADA DE NORMA

COVENIN 2003-89. ............................................................................................ 67

FIGURA 7. TIPOS DE CONEXIONES A CORTE MÁS COMUNES. TOMADA DE FRATELLI

(2003). ................................................................................................................. 75

FIGURA 8. CONEXIONES A MOMENTO, A) CONEXIÓN APERNADA, B) CONEXIÓN

SOLDADA, TOMADA DE FRATELLI (2003). ............................................................ 75

FIGURA 9. CONEXIONES SEMIRRÍGIDAS. TOMADA DE FRATELLI (2003). ..................... 76

FIGURA 10. SOLDADURA POR ARCO. TOMADA DE TORIJA (2010). ............................... 77

FIGURA 11. TIPOS BÁSICOS DE JUNTAS SOLDADAS. TOMADA DE TORIJA (2010) .......... 79

FIGURA 12. TIPOS DE SOLDADURA. TOMADA DE TORIJA (2010). ................................. 80

FIGURA 13. SOLDADURAS A FILETE. TOMADA DE TORIJA (2010) ................................. 81

FIGURA 14. DIMENSIONES EFECTIVAS DE LA GARGANTA PARA SOLDADURAS A FILETE.

TOMADA DE TORIJA (2010). ................................................................................. 82

FIGURA 15. SOLDADURA DE FILETE EN ARMADURA. TOMADA DE TORIJA (2010) ........ 86

FIGURA 16. SOLDADURA DE FILETE. TOMADA DE TORIJA (2010). ............................... 87

xvii

FIGURA 17. DETALLE DE PERNO DE CABEZA HEXAGONAL. TOMADA DE FRATELLI 2003

............................................................................................................................. 88

FIGURA 18. TIPOS DE JUNTAS EMPERNADAS. TOMADA DE FRATELLI 2003. ................. 93

FIGURA 19. TRAYECTORIAS POTENCIALES DE FALLA. TOMADA DE FRATELLI 2003. .... 95

FIGURA 20. ÁREA DE APLASTAMIENTO AP. TOMADA DE FRATELLI 2003. .................... 99

FIGURA 21. PERNOS EN CONEXIONES DE DESLIZAMIENTO CRÍTICO .............................. 99

FIGURA 22. VISTA EN PLANTA DEL AGUJERO DE LA PLAZA EN EL CUAL SE UBICARÁ EL

CAMPANARIO DE LA CATEDRAL. ......................................................................... 123

FIGURA 23. DISEÑO DEL CAMPANARIO DE LA CATEDRAL, PLANTEADO A INICIOS DEL

PROYECTO. ......................................................................................................... 124

FIGURA 24. VISTA EN PLANTA DE LA PLAZA ELEVADA DE LA CATEDRAL DE CIUDAD

GUAYANA. ......................................................................................................... 125

FIGURA 25. ESPECTRO DE RESPUESTA ELÁSTICO E INELÁSTICO. AD VS T (SEG). ........ 133

FIGURA 26. VENTANA DE DEFINICIÓN DEL ESPECTRO DE RESPUESTA INELÁSTICA EN EL

SOFTWARE ETABS ............................................................................................ 134

FIGURA 27. VENTANA DE DEFINICIÓN DE LA FUENTE DE MASA DEL ANÁLISIS EN EL

SOFTWARE ETABS ............................................................................................ 134

FIGURA 28. VENTANA DE DEFINICIÓN DEL CASO ESPECTRAL EN X EN EL SOFTWARE

ETABS 2015. .................................................................................................... 135

FIGURA 29. VENTANA DE DEFINICIÓN DEL CASO ESPECTRAL EN Y EN EL SOFTWARE

ETABS 2015. .................................................................................................... 136

FIGURA 30. VENTANA DE DEFINICIÓN DE LOS CASOS DE CARGA A SER ANALIZADOS EN

ETABS 2015. .................................................................................................... 137

FIGURA 31. MODELO DE LA ESTRUCTURA DE ACERO PROPUESTA EN EL SOFTWARE

ETABS 2015. (A) VISTA GENERAL DEL MODELO. EN (B) VISTA 3D DEL MODELO.

EN (C) VISTA DEL PÓRTICO C DEL MODELO EN ETABS. ..................................... 138

FIGURA 32. DEFORMACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS POR CARGA DE SERVICIO (SCP+CV).

........................................................................................................................... 139

FIGURA 33. DESPLAZAMIENTO DE LA ESTRUCTURA POR EFECTOS DEL SISMO. ........... 140

FIGURA 34. RELACIÓN DEMANDA/CAPACIDAD DE LAS CORREAS DE LA ESTRUCTURA.141

xviii

FIGURA 35. RELACIÓN DEMANDA/CAPACIDAD DE LAS VIGAS PRINCIPALES Y VIGAS DE

TRANSMISIÓN. .................................................................................................... 142

FIGURA 36. RELACIÓN DEMANDA/CAPACIDAD EN (A) PÓRTICO QUE MUESTRA LAS

COLUMNAS TANTO AUXILIARES, PRINCIPALES Y TRASERAS. EN (B) ESTRUCTURA

COMPLETA. ......................................................................................................... 142

FIGURA 37. CONEXIÓN 1 EN (A) DIMENSIONES Y ELEMENTOS DE LA CONEXIÓN Y EN (B)

CONEXIÓN EN 3D POR MEDIO DEL SOFTWARE ETABS. ...................................... 143

FIGURA 38. CONEXIÓN 2 EN (A) ELEMENTOS Y DIMENSIONES DE LA CONEXIÓN, EN (B)

CONEXIÓN EN 3D POR MEDIO DEL PROGRAMA ETABS. ...................................... 154

FIGURA 39. CONEXIÓN 3, EN (A) VISTA DE LOS ELEMENTOS Y LA PLACA BASE, EN (B)

VISTA EN 3D DE LA CONEXIÓN POR MEDIO DEL PROGRAMA ETABS. .................. 164

FIGURA 40. VISTA GENERAL DE LA CONSTRUCCIÓN DE LA CATEDRAL DE CIUDAD

GUAYANA. ......................................................................................................... 184

FIGURA 41. TERRENO DONDE SE PROYECTA LA PLAZA DE LA VIRGEN. SE OBSERVAN

LOS PRIMEROS PILOTES UBICADOS PARA SU CONSTRUCCIÓN. ............................. 184

FIGURA 42. VISTA FRONTAL Y DESDE LA PARTE MÁS BAJA DEL ÁREA DONDE INICIA LA

PLAZA DE LA VIRGEN. ........................................................................................ 185

FIGURA 43. VISTA INTERIOR DE LA CAPILLA DIARIA EN CONSTRUCCIÓN, BAJO LA

CATEDRAL. ......................................................................................................... 185

FIGURA 44. VISTA COMPLETE DE UNA DE LAS COLUMNAS QUE POSEE MÉNSULA Y ESTÁ

UBICADA EN EL INICIO DE LA PLAZA. .................................................................. 186

FIGURA 45. COLUMNAS CON MÉNSULA, UBICADAS AL INICIO DE LA PLAZA, Y DONDE

COMIENZA EL APOYO DE ESTA. ........................................................................... 187

FIGURA 46. PERFIL IPE. DIMENSIONES Y PROPIEDADES PARA EL DISEÑO. .................. 190

FIGURA 47. PERFIL HEB. DIMENSIONES Y PROPIEDADES PARA EL DISEÑO. ................ 191

FIGURA 48. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ESTABLECIDAS EN EL PROGRAMA. .... 193

FIGURA 49. PROPIEDADES DE LAS SECCIONES ESTABLECIDAS EN EL PROGRAMA. ....... 193

FIGURA 50. PROPIEDADES DE LA SECCIÓN HEB 340 ESTABLECIDAS EN EL PROGRAMA.

........................................................................................................................... 194

FIGURA 51. PATRONES DE CARGA ESTABLECIDOS EN EL PROGRAMA. ......................... 194

xix

FIGURA 52. PROPIEDADES DE LA SECCIÓN IPE 750X196 ESTABLECIDAS EN EL

PROGRAMA. ........................................................................................................ 195

FIGURA 53. COMBINACIONES DE CARGA ESTABLECIDAS EN EL PROGRAMA. .............. 195

FIGURA 54. COMBINACIÓN #2 (DOMINANTE). ............................................................ 196

FIGURA 55. DEFORMACIONES MODALES DE LA ESTRUCTURA. .................................... 196

FIGURA 56. DEFORMACIÓN SÍSMICA DE LA ESTRUCTURA. .......................................... 197

FIGURA 57. ESPECIFICACIONES DE LA LOSA PREVENCA TIPO “TT 20X250”, PARA

TECHOS Y PARA ENTREPISOS .............................................................................. 203

FIGURA 58. ESPECIFICACIONES DE VIGA PREVENCA TIPO “T INV. 60X105” ........... 204

FIGURA 59. ESPECIFICACIONES DEL VACIADO DEL TOPPING, SEGÚN MANUAL DE

PREVENCA. ..................................................................................................... 205

xx

UNIVERSIDAD CATÓLICA ANDRÉS BELLO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

Estudio de factibilidad técnico-económica para la sustitución de la estructura

original de concreto de la “Plaza de la Virgen”, por una de acero estructural en

el proyecto de la catedral de Ciudad Guayana

Autores: Dhayana Wehbe Nakad

Victor J. Gil Trébol

Tutor: Ludwig A. Moncrieff B.

Fecha: Mayo, 2016

Resumen

Países de todo el mundo han optado por incrementar el uso de acero estructural

como material principal para la construcción civil, puesto que la aplicación de este

material permite la optimización de la construcción, gracias a la gran facilidad de

montaje y transporte que posee. La Catedral de Ciudad Guayana es un proyecto que

inició su construcción en el año 2001, siendo a nivel religioso, una obra muy

significativa para Ciudad Guayana. La construcción se detuvo en el año 2007 debido a

problemas económicos, pero la Fundación Catedral reanuda la obra en el año 2014,

partiendo del uso de recursos provenientes de asociaciones y empresas privadas y

públicas. En el proyecto inicial de la catedral se especifica que la estructura y todos sus

componentes debían ser construidos en concreto, lo que implica actualmente un costo

bastante elevado debido a la escasez existente en el país, por lo tanto el presente Trabajo

de Grado tiene como objetivo general estudiar la factibilidad técnico-económica de

sustituir la estructura original de concreto de la “Plaza de la Virgen”, por una de acero

estructural. La propuesta planteada se compone de perfiles IPE y HEB, la preferencia

por estas secciones se debe a que los elementos principales solicitados están sujetos a

grandes efectos de flexo-compresión. Para determinar la factibilidad económica se

realizan los análisis de costos y se desarrolla una matriz en donde se comparan los

principales parámetros de ambos sistemas, resultando ser la propuesta en acero 28%

menos costosa. Se concluye que técnicamente la estructura en acero es factible para su

aplicación, pero con el diseño propuesto en este estudio se requiere la inclusión de

columnas auxiliares, a pesar de que cualquier diseño propuesto debía satisfacer las

necesidades arquitectónicas descritas en el inicio del proyecto, las grandes luces que

posee la arquitectura no permite cumplir con este requerimiento.

Palabras claves: Acero, plaza, concreto, estructuras, costos, losacero, materiales.

21

Introducción

La industria de la construcción es, en todos los países, un indicador del desarrollo

económico y la prueba de su evolución. El desarrollo de la construcción ha estado

siempre ligado a la disponibilidad de los materiales y las técnicas utilizadas, de hecho,

se puede analizar la evolución de una edificación considerando solo cómo y con que se

ha construido. El comercio con otros países también contribuyó al desarrollo de las

estructuras, pero uno de los principales avances que influyeron en la evolución de los

materiales y las técnicas de construcción, antes de la I Guerra Mundial, fue el aumento

de la producción de acero, y por consiguiente el desarrollo de las estructuras con este

material.

La piedra y la madera fueron sustituidas como elementos de construcción, con la

aparición de nuevos materiales como el concreto armado y el acero. Se empleó el

concreto armado debido a la facilidad para construir elementos de cualquier forma, a

su gran resistencia a la compresión, alta adherencia al hierro y larga duración, pero el

acero se comenzó a tomar en cuenta debido a que con éste se puede trabajar más

rápidamente mediante la unión de piezas sencillas, lo que da en conjunto un menor

peso con gran resistencia, es un material versátil que cada día encuentra nuevos usos

y propiedades, además de ser a prueba de incendios.

Hoy en día, la industria de la construcción se encuentra dominada por dos

materiales, siendo estos, el concreto armado y el acero, los más actualizados con

respecto a las necesidades de la humanidad y a las técnicas de construcción modernas.

La existencia de estos materiales permite a ingenieros y arquitectos la realización de

grandes estructuras, altas e innovadoras, pero también existen muchos factores

externos que determinan con que material se debe construir una edificación. La

ubicación, el uso, las dimensiones, el valor social, la disponibilidad de los materiales,

la factibilidad técnica y los costos de fabricación son algunos de los factores que

22

influyen en cualquier construcción, sugiriendo a veces la modificación del material

planteado en el proyecto a ejecutar.

En Venezuela, una de las labores principales del ingeniero, y de cualquier

profesional de la construcción civil, es adaptarse a la situación actual de país, a la escasa

disponibilidad de materiales, a la utilización de elementos importados y a los elevados

costos de materiales de construcción y mano de obra. Adaptarse al mercado y al

presupuesto es uno de los objetivos del ingeniero para optimizar la ejecución de la obra

y asegurar el financiamiento de la misma, de acuerdo a los planes y pautas establecidos.

La “Catedral de Ciudad Guayana” es un proyecto que inició su construcción en el

año 2001, en la zona de Alta Vista, Puerto Ordaz. Es una obra social con grandes

dimensiones que comprende una catedral, la residencia episcopal, la curia Diocesana

con su auditorio, la casa parroquial y una extensa plaza, denominada “Plaza de la

Virgen”, este conjunto de estructuras ocupan un espacio total aproximado de 22.300

m2 y se considera la construcción con mayor importancia a nivel religioso en Ciudad

Guayana. La construcción del proyecto inició con la catedral, el elemento más

importante, que comprende un área total de 2563 m2, a pesar de los esfuerzos

realizados, en 2007 la obra se detuvo debido a varios problemas económicos, pero

inmersos en su objetivo, la Fundación Catedral en el año 2014 reanuda las actividades

constructivas en la obra de la catedral, partiendo del uso de recursos provenientes de

personas, gremios, asociaciones y empresas privadas y públicas, dispuestas a colaborar

con la ejecución de la obra.

La catedral y todos los componentes del proyecto fueron diseñados en 1988 por el

arquitecto Julián Ferris y su construcción está totalmente contemplada en concreto,

pero en la actualidad esta construcción implica un costo bastante elevado debido a la

preocupante escasez de materiales que transita el país, por lo tanto la Fundación

Catedral se encuentra en la necesidad de buscar alternativas, que aunque conlleven a

23

cambios en el proyecto inicial, aporten disminución de costos y de tiempo de ejecución

en las construcciones restantes.

La “Plaza de la Virgen”, es la plaza de la catedral que posee una altura con respecto

al suelo de 4 metros, y debajo de ella se contempla un estacionamiento con capacidad

para 120 vehículos aproximadamente. Su estructura está compuesta por 28 pórticos, 17

en el eje “X” y 11 en el eje “Y”, del plano referencial, y se encuentran entre 5 y 6

metros de separación, aproximadamente. Tomando en cuenta los elevados costos y la

falta de financiamiento, la Fundación Catedral propone estudiar la posibilidad de

modificar el material de construcción de la estructura de la “Plaza de la Virgen”,

utilizando como material principal el acero estructural, pero sin alterar o perjudicar de

ninguna manera la arquitectura de la misma.

La presente investigación comprende un estudio de la factibilidad de construir la

misma plaza proyectada en concreto pretensado, en acero, conservando su desempeño

estructural, protegiendo la arquitectura de la misma y del estacionamiento en la parte

inferior. Se presenta la siguiente comparación partiendo de la posibilidad de que la

construcción en acero convergerá un método más sencillo en fabricación y montaje, lo

que equivale a su vez a una probable reducción de costos con respecto al concreto,

permitiendo así colaborar con los objetivos de la Fundación Catedral en su labor de

finalizar la estructura.

Este Trabajo de Grado contiene en el Capítulo I el planteamiento del problema,

justificación y delimitación del alcance a desarrollar; en el Capítulo II, la presentación

del marco teórico donde se incluye el antecedente de esta investigación junto a las bases

teóricas y legales; en el Capítulo III, referido al marco metodológico, la definición de

las estrategias del tipo de investigación; en el Capítulo IV, la exposición de los

resultados obtenidos por parte de los objetivos específicos planteados; y en el Capítulo

V, las conclusiones y recomendaciones realizadas en base a todo el contenido

investigado.

24

Capítulo I

El Problema

La estructura de la Catedral de Ciudad Guayana representa, a nivel religioso, la obra

más significativa que se ha propuesto construir en el municipio Caroní. Para llevar a

cabo tan magno proyecto de índole católico, fue creada la “Fundación Catedral”,

conformada por un grupo de profesionales especializados en diversa áreas, cuya

finalidad fuese imaginar, proyectar y gestionar el financiamiento para ejecutar la obra.

Tras el acto de presencia que realiza el Papa Juan Pablo II el día 29 de enero del año

1985 en Ciudad Guayana, se propone cambiar la localización inicial de la catedral, ya

que este espacio representa una zona bendecida y de gran valor religioso tanto para el

país como para la ciudad. Gracias al financiamiento de la Corporación Venezolana de

Guayana, se logra iniciar la construcción de la obra el 19 de marzo del año 2001,

durante el cual se ejecuta un aproximado del 13% de la obra total planteada, luego,

debido a varios problemas económicos presentados en dicho proyecto se decide

suspender la ejecución. Enmarcados en su principal misión, actualmente la Fundación

Catedral ha retomado pequeñas construcciones restantes de la obra, contando

exclusivamente con financiamiento privado.

En el proyecto inicial de la catedral, la estructura y todos sus componentes debían

ser construidos en concreto, lo que en la actualidad implica un costo bastante elevado

debido a la escasez existente en el país, así como lo afirman periodistas de Diario de

Los Andes, que realizando un recorrido por diversas ferreterías en la jurisdicción, en

los diversos locales se evidencio la inexistencia de cabillas y cemento, siendo estos los

principales materiales que se requieren para la construcción de cualquier obra de

concreto; se adjunta al mismo artículo, redactado por Anggy Polanco (2016), la

25

anécdota de algunos habitantes sobre el alto costo de los materiales, y todo el

procedimiento que deben realizar, bajo ciertas condiciones, para obtener el material.

Los gastos de la construcción del proyecto solo dependen de donaciones por parte de

empresas públicas o privadas hacia la Fundación Catedral, por lo tanto, se encuentran

en la necesidad de buscar alternativas que aunque conlleven a cambios del proyecto

inicial, aporten disminución de costos y tiempo de ejecución en las construcciones

restantes.

Tomando en cuenta lo mencionado la Fundación Catedral se propuso estudiar la

posibilidad de modificar el material de construcción en el proyecto inicial, en concreto,

de la estructura de la “Plaza de la Virgen”, por una en acero estructural. A petición del

proyecto, cualquier diseño con el nuevo material debía satisfacer las necesidades

arquitectónicas planteadas desde el inicio. Dicho estudio abarcó la determinación de

los materiales presentes actualmente en el mercado, y que se adecuan a las

características arquitectónicas que establece el proyecto en la plaza. Es necesario

resaltar que el modelo matemático realizado se llevó a cabo mediante programas de

diseño actualizado, que permitan verificar la capacidad y funcionamiento real ante las

acciones que se generen en la estructura, cumpliendo así con las normativas

correspondientes.

El material seleccionado para la realización de esta propuesta presenta una serie de

ventajas, tanto económicas como para la construcción. Como afirma McCormac (20l3),

el acero posee versatilidad de ejecución en la obra que permite ahorros significativos

de tiempo y esfuerzo, sobre el concreto. Es importante tomar en cuenta el tiempo de

ejecución de la obra ya que, los gastos de mano de obra son sumamente elevados, sobre

todo para construcciones por cuenta propia, expresado en el Diario de Los Andes

(2016). Por supuesto se deben resaltar las desventajas del acero, que van desde la

necesidad de un constante mantenimiento hasta la dificultad de hallar los perfiles

requeridos en el mercado actual del país, como lo expone el presidente de la Cámara

Venezolana de la Construcción, Jaime Gómez, en El Impulso (2015) “La producción

26

de acero en el país ha bajado entre 40% y 45%, lo que es crítico para el sector

construcción. Sidor prácticamente está produciendo menos de la mitad de lo que

producía en años anteriores.”

En el caso de poseer los recursos económicos necesarios, la presente propuesta,

genera una solución favorable a la construcción y disminución de costos de la catedral.

No obstante, el estudio no se limitó a establecer un nuevo sistema estructural, sino que

también incluyó una matriz comparativa de costos entre la propuesta en acero y la

establecida en el proyecto inicial, con la finalidad de determinar la factibilidad

económica de modificar el designio inicial.

Objetivo General

Estudiar la factibilidad técnico-económica para la sustitución de la estructura

original de concreto de la “Plaza de la Virgen”, por una de acero estructural en el

proyecto de la catedral de Ciudad Guayana.

Objetivos Específicos

Evaluar las ventajas, desventajas, características arquitectónicas y

funcionales de la estructura en concreto y en acero estructural.

Diseñar la ingeniería básica del sistema propuesto en acero.

Analizar las ventajas constructivas del acero estructural vs el concreto en

cuanto a tiempo de ejecución.

Describir el sistema estructural propuesto en acero, considerando los

elementos técnicos y económicos.

27

Justificación

El presente trabajo de investigación se utilizó para demostrar que el acero estructural

es una alternativa técnica y económicamente factible para su aplicación en la

construcción de La Plaza de la Virgen, en la catedral de Ciudad Guayana,

considerándose como material de sustitución ante el concreto.

La investigación surge debido a la situación del país, a la gran magnitud de la

catedral y a que todo ingreso obtenido para la adquisición de materiales y mano de obra

proviene de las donaciones que recibe la fundación, por lo tanto se generó la necesidad

de optimizar en lo posible la construcción de la estructura, tanto en tiempo de ejecución

como en metodología.

Gracias a esta propuesta, surge la incertidumbre de conocer la factibilidad

económica y técnica que posee la modificación del proyecto inicial, empleando un

material de construcción distinto al concreto utilizado en la plaza, que permita agilizar

el montaje, aligerar el proceso de construcción, abaratar costos y a su vez cumplir con

las funciones para la cual fue ideada.

Profundizando en los beneficios que posee el acero, resulta ser un material más

económico, ya que al no requerir encofrados se genera una disminución de costos en

materiales y mano de obra, además de una mayor rapidez en la construcción. Es capaz

de cumplir la misma función que el concreto y existe la posibilidad de obtener

prefabricados todos los elementos y conexiones del sistema de la plaza, lo cual optimiza

en tiempo todos los procesos, facilita la ejecución de la obra y aminora los gastos de

construcción.

Este estudio se considera de gran importancia para Ciudad Guayana debido al

significado social que posee el proyecto de la catedral para los habitantes de la ciudad;

la Catedral de Ciudad Guayana es una estructura anhelada y admirada por los

28

guayaneses. Toda Diócesis debe contar con una Catedral que se considere como templo

y sede para que el Obispo residencial eduque al pueblo con la auténtica enseñanza de

la palabra de Dios. Se proyecta que luego de su construcción, la plaza se disponga para

ser utilizada como punto de encuentro de la comunidad cristiana.

Por otra parte, se debe agregar que esta investigación les servirá a otros estudiantes

e investigadores que aborden el tema tanto, en el aspecto técnico como, metodológico.

Alcance y Delimitación

La presente investigación engloba el estudio de las características técnicas y

económicas del sistema resistente de La Plaza de la Virgen, perteneciente a la

construcción de la Catedral de Ciudad Guayana, ubicada en el urbanismo Juan Pablo

II de Puerto Ordaz, en el Estado Bolívar, la cual está proyectada en concreto, y se

plantea diseñar en acero estructural.

Los métodos utilizados para el estudio y diseño estructural del sistema portante de

la Plaza de la Virgen se rigen por las normas y especificaciones estandarizadas para el

desarrollo, diseño y construcción vigentes en Venezuela.

La propuesta se basó en la estructuración de una alternativa en acero estructural del

sistema planteado de la Plaza de la Virgen, utilizando el programa de diseño estructural

ETABS 2015, determinando si los resultados obtenidos son realmente factibles técnica

y económicamente, para así modificar el proyecto inicial. En caso de que se demuestre

la eficiencia, este trabajo representaría una base teórica para la construcción en acero

estructural como material principal de la obra.

Este trabajo de investigación se realizó durante los meses de noviembre del año

2015 a abril del año 2016 para un total de 6 meses de realización en las instalaciones

de la Universidad Católica Andrés Bello, Extensión Guayana.

29

Capítulo II

Marco Teórico

En el siguiente capítulo se presentarán las bases teóricas, en esta se definen todos

los términos relacionados con el acero como material estructural y las características

del mismo, utilizando conceptos destacados para la rápida comprensión del trabajo.

Igualmente se hace énfasis en los métodos de análisis y el cálculo requerido para la

elaboración de un sistema fabricado con este material, y el estudio de las acciones que

les afecta, como las cargas variables, permanentes, de viento y sismo.

Antecedentes

Juan Jraige y Angel Prieto (2013), en su trabajo especial de grado “Estudio de

factibilidad técnico-económico para la modificación de la estructura del techo de

concreto reforzado por acero, en el proyecto de la catedral de Ciudad Guayana”, debido

a la necesidad de cumplir la misión de culminar dicho proyecto, se estudió la

posibilidad de sustituir el sistema resistente del techo de la estructura planteada en

concreto armado por uno en acero estructural, reduciendo de esta manera los costos y

complejidad del proyecto de la catedral. El propósito principal de esta investigación

fue plantear la sustitución del material sin modificar la estructura arquitectónica, por lo

tanto, en el trabajo de grado buscaron una propuesta en acero que satisfaga todas las

especificaciones estéticas que posee dicho proyecto. Utilizando el programa SAP 2000

se logra diseñar y analizar la propuesta planteada, que consiste en una cercha plana

curva compuesta por perfiles HEB, que se unen en su parte inferior con otro dos perfiles

de igual geometría que la cuerda inferior de la cercha, de modo que sostengan las

losetas de concreto de la cubierta. Además de los cálculos se elaboran unos cómputos

métricos de la estructura presentada en acero, para la posterior realización de una matriz

30

comparativa entre el uso de ambos materiales, demostrando de esta manera los

beneficios de la utilización del acero estructural.

El trabajo de grado de Jraige y Prieto servirá como guía para la elaboración de la

investigación y los cálculos que se realizaran, además de tomar en cuenta los materiales

utilizados, el planteamiento estructural y la presentación de los resultados obtenidos.

Bases Teóricas

Estas bases teóricas contienen los fundamentos teóricos del estudio realizado, donde

se hace necesario destacar los siguientes conceptos para la comprensión del desarrollo

del trabajo de investigación y de los elementos de los cuales está compuesto.

Acero

Torija (2010, p.19) explica que el acero es básicamente una aleación o combinación

de hierro y carbono (alrededor de 0.05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros

elementos de aleación específicos tales como el Cromo (Cr) o Níquel (Ni) se agregan

con propósitos determinados.

Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más de un 98%), su

fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se

convierte más tarde en acero.

El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto no tiene solamente un

tipo de átomos. No se encuentra libre en la naturaleza ya que químicamente reacciona

con facilidad con el óxido del aire para formar óxido de hierro (Herrumbre). El óxido

se encuentra en cantidades significativas en el mineral de hierro, el cual es una

concentración de óxido de hierro con impurezas y materiales térreos.

31

Acero estructural

El acero se puede clasificar según los elementos de aleación que producen distintos

efectos en él. Los aceros aleados contienen una mayor cantidad de manganeso, silicio

y cobre que los aceros al carbono. El acero estructural se encuentra entre la

clasificación de los aceros aleados y se considera un material perfecto para la

construcción, utilizado en edificios, puentes, barcos y semejantes. El contenido de la

aleación varía desde 0.25% a un 06%. El acero estructural es posiblemente uno de los

materiales de construcción más versátiles, posee gran resistencia, poco peso y

fabricación sencilla. Los aceros estructurales se pueden clasificar según la norma

ASTM en:

Aceros de propósitos generales (A36)

Acero recomendado para armaduras de edificaciones o puentes (A992)

Aceros estructurales de carbono (A529)

Aceros de alta resistencia y baja aleación (A572)

Aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la

corrosión atmosférica (A242 y A588)

Aceros templados y revenidos (A514 y A588)

Propiedades Mecánicas del Acero

En el Manual de diseño para la construcción con acero (2013) se explica que, las

propiedades mecánicas de los aceros son las características más importantes para su

aplicación en estructuras, debido a que el diseño y la fabricación de este tipo de

estructuras de basan en su conocimiento. Aunque lo que interesa principalmente al

32

diseñador o al proyectista son las características mecánicas de los aceros estructurales,

la composición química es un índice de calidad de los mismos, y puede, a partir de ésta,

determinar con bastante aproximación las propiedades mecánicas. El Manual de diseño

para la construcción con acero (2013) a su vez, afirma que algunas de las propiedades

más relevantes del acero como material de construcción son las siguientes:

Resistencia. El acero estructural es un material homogéneo e isótropo de

calidad uniforme que permite soportar grandes esfuerzos, por lo que en la

mayoría de los casos se obtienen miembros con espesores relativamente

pequeños en comparación con sus otras dimensiones. Estas propiedades le

dan mayores niveles de seguridad a una estructura sobre todo cuando está

sujeta a esfuerzos causados por cargas accidentales, principalmente sismos o

viento, ya que estas fuerzas pueden ocasionar inversiones de esfuerzos. La

resistencia a las diversas solicitaciones de los miembros estructurales de

acero depende de la forma del diagrama esfuerzo-deformación, y

particularmente de los esfuerzos de fluencia Fy y de ruptura en tensión Fu.

En el diseño de una estructura se buscará el equilibrio entre las fuerzas

externas e internas de tal manera que se obtenga una estructura resistente a

las solicitaciones actuantes.

Figura 1. Gráfica Esfuerzo-Deformación para varios grados de acero estructural.

33

Ductilidad. El acero es un material dúctil por naturaleza, que tiene además

un comportamiento estable bajo inversiones de carga y tiene una relación

resistencia-peso conveniente. El acero puede aceptar deformaciones

importantes más allá del límite elástico sin fallar, tiene pues capacidad para

permitir las deformaciones inelásticas que puedan requerirse. Puede

utilizarse para construir estructuras estáticamente indeterminadas que

satisfagan los requisitos de diseño sísmico. Es por consiguiente, muy

conveniente para construcciones ubicadas en zonas de alta sismicidad. No

obstante, la ductilidad intrínseca del acero no se conserva necesariamente en

la estructura terminada, por lo que debe procederse con mucho cuidado

durante el diseño y la construcción para evitar la pérdida de esta propiedad.

Es esta propiedad, característica intrínseca del acero estructural, que no

Figura 2. Gráfica Esfuerzo-Deformación para varios grados de acero estructural.

Tomado de Manual de diseño para la construcción con acero (2013), p. 14

34

exhibe en forma completamente clara ningún otro material de construcción,

y que hace posible la aplicación del análisis plástico al diseño de estructuras.

Soldabilidad. La soldabilidad se define como el conjunto de propiedades que

tiene un acero estructural para permitir efectuar uniones o conexiones

soldadas que presenten características suficientes de continuidad

metalúrgica, tomando en cuenta que esta propiedad debe definirse respecto a

un proceso de soldadura determinado. Las características del acero, y

particularmente su composición química influyen de manera importante en

la soldabilidad.

Tenacidad. Es la medida de energía por unidad de volumen necesaria para

deformar un cuerpo hasta el momento de la fractura. Esta propiedad tiene

importancia especial en el diseño sismorresistente.

Se utiliza la prueba de impacto charpy en V para determinar la capacidad que tiene

un acero para absorber energía hasta llegar a la fractura. Los factores que influyen en

la tenacidad del acero son: composición química, estructura metalográfica, inclusiones

no metálicas y segregaciones. Con relación a la composición química del acero, la

presencia de elementos fragilizantes como el carbono, fosforo, nitrógeno, actúan en

detrimento de la tenacidad. La presencia de estructuras frágiles y la presencia de grano

grueso influyen de manera perjudicial en la tenacidad del acero.

Ventajas del Acero como material estructural

El acero ofrece varias ventajas sobre otros materiales para la construcción, como la

manejabilidad de los componentes, facilidad del transporte, ligereza, rapidez

constructiva y otras ventajas importantes que según McCormac (2013) pueden ser las

siguientes:

35

Alta resistencia. La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que

será relativamente bajo el peso de las estructuras; esto es de gran importancia

en puentes de grandes claros, en edificios altos y en estructuras con

condiciones deficientes en la cimentación.

Uniformidad. Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el

tiempo, como es el caso de las estructuras de concreto reforzado.

Elasticidad. El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de

diseño que la mayoría de los materiales, debido a que sigue la ley de Hooke

hasta esfuerzos bastante altos. Los momentos de inercia de una estructura de

acero se pueden calcular exactamente, en tanto que los valores obtenidos para

una estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos.

Durabilidad. Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado

duraran indefinidamente. Investigaciones realizadas en los aceros modernos,

indican que bajo ciertas condiciones no se requiere ningún mantenimiento a

base de pintura.

Ductilidad. La ductilidad es la propiedad que tiene un material para soportar

grandes deformaciones sin fallar bajo esfuerzos de tensión altos. Cuando se

prueba a tensión un acero dulce o con bajo contenido de carbono, ocurre una

reducción considerable de la sección transversal y un gran alargamiento en

el punto de falla, antes de que se presente la fractura. Un material que no

tenga esta propiedad por lo general es inaceptable y probablemente será duro

y frágil y se romperá al someterlo a un golpe repentino. Ampliación de

estructuras existentes. Las estructuras de acero se prestan para fines de

ampliación. Nuevos tramos y en ocasiones alas totalmente nuevas pueden

añadirse a las estructuras de acero de edificaciones ya existentes, y los

puentes de acero a menudo pueden ampliarse.

36

Tenacidad. Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia

y ductilidad. Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes

deformaciones será aun capaz de resistir grandes fuerzas. Ésta es una

característica muy importante porque implica que los miembros de acero

pueden someterse a grandes deformaciones durante su fabricación y montaje,

sin fracturarse, siendo posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos

sin daño aparente. La propiedad de un material para absorber energía en

grandes cantidades se denomina tenacidad.

Ampliaciones de estructuras existentes. Las estructuras de acero se adaptan

muy bien a posibles ampliaciones. Se pueden añadir nuevas crujías e incluso

alas enteras a estructuras de acero ya existentes, con frecuencia se pueden

ampliar los puentes de acero.

Propiedades Diversas. Algunas otras ventajas importantes del acero

estructural son: a) gran facilidad para unir diversos miembros por medio de

varios tipos de conexión simple, como son la soldadura y los pernos; b)

posibilidad de prefabricar los miembros; c) rapidez de montaje; d) capacidad

para laminarse en una gran cantidad de tamaños y formas, e) es posible

utilizarlo nuevamente después de desmontar una estructura; y f) posibilidad

de venderlo como chatarra, aunque no pueda utilizarse en su forma existente.

El acero es el material reciclable por excelencia.

Desventajas del Acero como material estructural

Según McCormac (2013) en general, el acero tiene las siguientes desventajas:

Corrosión. La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al

estar expuestos al aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse

periódicamente. Sin embargo, el uso de aceros intemperizados para ciertas

aplicaciones, tiende a eliminar este costo. Aunque los aceros intemperizados

37

pueden ser bastante efectivos en ciertas situaciones para limitar la corrosión,

hay muchos casos donde su uso no es factible. En algunas de estas

situaciones, la corrosión puede ser un problema real. Por ejemplo, las fallas

por corrosión fatiga pueden ocurrir si los miembros de acero se someten a

esfuerzos cíclicos y a ambientes corrosivos. La resistencia a la fatiga de los

miembros de acero puede reducirse apreciablemente cuando los miembros se

usan en ambientes químicos agresivos y sometidos a cargas cíclicas. El lector

debe observar que se dispone de aceros en los cuales se usa el cobre como un

componente anticorrosivo. Generalmente, el cobre se absorbe durante el

proceso de fabricación del acero.

Costo de protección contra el fuego. Aunque los miembros estructurales

son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente en

temperaturas que comúnmente se alcanzan en incendios, cuando los otros

materiales de un edificio se queman. Han ocurrido muchos incendios

devastadores en inmuebles vacíos en los que el único material combustible

es el mismo inmueble. Además, el acero es un excelente conductor del calor,

de manera que los miembros de acero sin protección pueden transmitir

suficiente calor de una sección o compartimiento incendiado de un edificio a

secciones adyacentes del mismo edificio e incendiar el material presente. En

consecuencia, la estructura de acero de un edificio debe protegerse mediante

materiales con ciertas características aislantes, y el edificio deberá

acondicionarse con un sistema de rociadores para que cumpla con los

requisitos de seguridad del código de construcciones de la localidad en que

se halle.

Susceptibilidad al pandeo. Cuanto más largos y esbeltos sean los miembros

a compresión, tanto mayor es el peligro de pandeo. En la mayoría de las

estructuras, el uso de columnas de acero es muy económico debido a sus

relaciones elevadas de resistencia a peso. Sin embargo, en forma ocasional,

38

se necesita algún acero adicional para rigidizarlas y que no se pandeen. Esto

tiende a reducir su economía.

Fatiga. Otra característica inconveniente del acero es que su resistencia se

puede reducir si se somete a un gran número de inversiones del sentido del

esfuerzo, o bien, a un gran número de cambios en la magnitud del esfuerzo

de tensión. (Se tienen problemas de fatiga sólo cuando se presentan

tensiones.) En la práctica actual se reducen las resistencias estimadas de tales

miembros, si se sabe de antemano que estarán sometidos a un número mayor

de ciclos de esfuerzo variable, que cierto número límite.

Fractura Frágil. Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su

ductilidad y la fractura frágil puede ocurrir en lugares de concentración de

esfuerzos. Las cargas que producen fatiga y muy bajas temperaturas agravan

la situación. Las condiciones de esfuerzo triaxial también pueden conducir a

la fractura frágil.

Clasificación de los Aceros

Fratelli (2003) señala que los aceros pueden clasificarse de la siguiente manera:

Su composición química:

Pueden ser aceros sin alear, semialeados y aleados. Estas aleaciones actúan como

agregados que otorgan propiedades adicionales al acero haciéndolo más resistente a las

cargas de tracción, compresión, flexión o torsión, protección contra agentes externos,

lo vuelven más dúctiles, le da soldabilidad, entre otros. El cobre (Cu), el níquel (Ni), el

aluminio (Al), el manganeso (Mn) y el cromo (Cr) son algunos de los materiales más

utilizados para las aleaciones.

Su contenido de óxidos

39

Según el grado de desoxidación de los aceros se puede clasificar en:

Aceros semicalmados: Posee un grado de desoxidación media, lo que le

confiere características intermedias entre los efervescentes y los calmados,

son aptos para la fabricación de perfiles estructurales, barras y planchas.

Aceros Calmados: son los aceros de grado nulo de desoxidación, su

composición es uniforme, y por lo tanto de mayor calidad y resistencia,

además de tener buena soldabilidad, se utilizan preferiblemente para la

fabricación de perfiles estructurales de gran grosor que vallan a resistir

fuertes cargas.

Sus propiedades mecánicas:

Propiedades del acero:

Peso específico (γ): 7850 Kg/m3

Módulo de elasticidad longitudinal (E): 2,1*106 kg/cm2

Módulo de elasticidad transversal o de corte (G): 𝐸

2∗(1+𝜈)

Coeficiente de Poisson (ν): 0.3 (en el rango elástico)

Coeficiente de dilatación térmica (α): 11.7 * 10²

˚𝑐

A pesar de que todas las propiedades anteriores son comunes para todos los aceros,

se debe destacar que estas varían dependiendo de muchos aspectos que van desde su

composición química, hasta su proceso de laminado y tratamiento posteriores a su

enfriamiento.

40

Según sus propiedades mecánicas los aceros se clasifican en:

Acero común: también llamado acero dulce, es un material con un contenido

entre 0.12 y 0.6% en peso de carbono (bajo), siendo esto los menos resistentes

y más dúctiles, entre estos se identifican el acero Din ST37, ASTM A36 y

AE25.

Acero de alta resistencia: debido a su contenido de acero entre 1,4 y 1,7% su

resistencia es mucho mayor que la del acero común, y su ductilidad menor,

incrementando así su punto de cedencia, este efecto también se ve generado

por convenientes aleaciones realizadas al acero.

La tabla 1 muestra las propiedades mecánicas de los distintos tipos de acero

disponibles.

Nota. Tomada de Molina J. (2009)

Tabla 1.

Tipos de acero, tensiones cedentes y últimas

41

Perfiles Estructurales

En la figura 3, se muestran algunos de los perfiles más usados para la fabricación de

estructuras de acero a nivel nacional.

Figura 3. Secciones de perfiles de acero de uso común en Venezuela. Tomado de la

Norma COVENIN 1618-98, p. C-7

42

Especificaciones y códigos de construcción

El diseño de las estructuras de acero y sus componentes se rigen de una serie de

normativas y especificaciones, que varían para cada país. Estas normas básicamente

contienen los requisitos mínimos para la elaboración de procedimientos, materiales,

productos y actividades. En Venezuela, el ente encargado de velar por la

estandarización y normalización bajo lineamientos de calidad es denominado Comisión

Venezolana de normas industriales (COVENIN), responsable de elaborar las

normativas referidas al diseño y construcción de estructuras y sus componentes. Las

normas COVENIN que guía la realización del presente trabajo son las siguientes:

COVENIN 1618:1998 “Estructuras de Acero para edificaciones”, Método de

los estados límites.

COVENIN 1756: 2001 “Edificaciones Sismorresistentes”.

COVENIN 2002:1988 “Criterios y acciones mínimas para el proyecto de

edificaciones”.

COVENIN 2003:1989 “Acciones del viento sobre las construcciones”.

COVENIN 1755:82 “Código de prácticas normalizadas para la fabricación y

construcción de estructuras de acero”.

Es importante resaltar que desde hace algún tiempo las normas venezolanas no han

sido actualizadas, por lo tanto se recomienda complementar su uso con las normas

ASCE 7, y las distintas especificaciones ANSI – AISC más recientes.

43

Cargas sobre las estructuras

Generalmente resulta complicado determinar con exactitud la magnitud de las

cargas que solicita la estructura, este cálculo se puede considerar como uno de los

procesos más delicados en el diseño de cualquier edificación. En ciertos casos se puede

observar que es relativamente sencillo estimar el valor de las cargas a las que se somete

la edificación, por ejemplo con su peso propio y cualquier otro elemento de carácter

permanente, los cuales se deberán asumir en forma aproximada al inicio del diseño. No

obstante en otros casos se tiende a complicar un poco la estimación de valores, ya que

siempre existen incertidumbres sobre las características de la edificación y su uso.

Las cargas que actúan en las edificaciones se clasifican, según la norma COVENIN

2002:1988, de acuerdo a la distribución de las acciones con relación al tiempo, y se

definen de la siguiente manera:

Acciones permanentes. Son las que actúan continuamente sobre la

edificación y cuya magnitud puede considerarse invariable en el tiempo,

como las cargas debidas al peso propio de los componentes estructurales y

no estructurales: pavimentos, rellenos, paredes, tabiques, frisos, instalaciones

fijas, etc. Igualmente el empuje estático de líquidos y tierras que tengan un

carácter permanente, las deformaciones y los desplazamientos impuestos por

el efecto de pretensión, los debidos a movimientos diferenciales permanentes

de los apoyos, las acciones reológicas y de temperatura permanentes, etc.

Los valores del peso de los materiales de construcción utilizados en la práctica, son

necesarios para el cálculo de las acciones permanentes de la edificación y se muestran

de forma detallada en la siguiente tabla:

44

Tabla 2.

Pesos Unitarios de materiales de construcción.

Cuerpos a granel Kg/𝑚3 Combustibles líquidos Kg/𝑚3

Tierra seca

Arena seca

Arena húmeda

Grava seca

Grava húmeda

1.330

1.600

1.860

1.700

2.000

Alcohol

Gas-oil

Gasolina

Kerosene

Petróleo

800

845

740

800

880

Piedras naturales Kg/𝑚3 Maderas Kg/𝑚3

Granito

Caliza compacta

Caliza porosa

Mármol, granito

Basalto, diorita

2.800

2.500

2.000

2.800

Pino de Flandes

Abeto blanco o rojo

Caoba

Roble blanco

Roble rojo o negro

Alamo

Cedro

Nogal blanco

Nogal negro

Jabillo

Laurel

Mapurite blanco

Mapurite rojo

Incienso

Mora

Samán

Castaño

Roble

700

600

590

750

700

500

460

450

650

460

480

660

790

980

960

570

800

800

Metales Kg/𝑚3

Acero laminado

Plomo

Aluminio

Cobre

Bronce laminado

Estaño

Cinc

7.850

11.400

2.400

8.900

8.600

7.400

7.200

Concretos Kg/𝑚3

Sin armar

Armado

Pobre

De escorias

2.400

2.500

1.900

1.600

Morteros Kg/𝑚3 Otros materiales Kg/𝑚3

De cal

De cal y cemento

De cemento

De yeso

De cal, arena y polvo

de ladrillo

1.700

1.900

2.150

1.200

1.600

Aceite mineral

Alquitrán

Asfalto

Escombros

Vidrio

Plastico en planchas

Porcelana

Pizarra

Cal viva

Escombros

Yeso

930

1.200

1.300

1.400

2.800

2.100

2.400

2.700

1.150

1.400

970

Combustibles

sólidos Kg/𝑚3

Leña en trozos

Aserrín suelto

Aserrín compacto

400

150

250

Nota. Tomada de Fratelli, M. (2003)

45

Al iniciar el análisis de carga deben especificarse los valores que serán usados a los

largo de todo el diseño de la estructura, para la determinación de las cargas

permanentes. A su vez, estas cargas se deberán combinar con las acciones variables y

accidentales, con el fin de tomar en cuenta la combinación más desfavorable para el

diseño del sistema estructural.

En ausencia de información precisa sobre los pesos de los materiales y elementos

constructivos a emplear en la edificación, la Norma COVENIN 2002:1988 recomienda

adoptar los valores mostrados en la Tabla 2. Pesos unitarios de materiales de

construcción y la Tabla 3. Pesos unitarios probables de elementos constructivos.

Tabla 3.

Pesos Unitarios probables de elementos constructivos

1. Tabiques y paredes de mampostería

Espesor

(cm)

Sin

frisar

(kgf/𝑚3)

Frisados por

ambas caras

(kgf/𝑚3)

Bloques de arcilla 10

15

20

120

170

220

180

230

280

Bloques de concreto 10

15

20

150

210

270

210

270

330

Ladrillos macizos 12

25

220

460

280

520

Bloques de concreto para

ventilación

De celdas y tipo persiana

De arcilla

De concreto

150

125

150

Ladrillos de arcilla obra limpia

Macizos

Perforados

200

150

2. Tabiques y paredes de otros materiales

Dada la gran variedad de materiales, todos de fabricación de tabiques livianos,

tales como tabiques de yeso, aglomerados de madera, etc., para sus pesos unitarios

se deben tomar los valores recomendados por los fabricantes

46

Tabla 3. (Continuación).

Pesos Unitarios probables de elementos constructivos.

3. Losas para entrepisos y techos

- Losas macizas. Las cargas permanentes de los entrepisos formados por losas

macizas, armadas en una o dos direcciones, se calcularán multiplicando su

espesor por el peso unitario del concreto armado.

- Losas reticuladas. Las cargas permanentes de los entrepisos formados por

losas reticulares se calcularán tomando en consideración las separaciones y

anchos de los nervios, es espesor de las alas y la altura total de la losa,

incluyendo los elementos prefabricados se los hubiere (bloques huecos de

arcilla o concreto, formaletas metálicas o plásticas, etc.)

- Losas nervadas. Los entrepisos nervados formados por loseta superior de 5

cm de espesor, nervios de 10 cm de ancho con separación de 50 cm de eje a eje

y rellenos de bloques de arcilla o de concreto de agregados livianos que

cumplen las normas COVENIN, tienen los siguientes pesos:

Losas Nervadas Espesor total (cm) Peso (kgf/𝑚2)

- Armadas en una dirección 20

25

30

35

270

315

360

415

- Armadas en dos direcciones 20

25

30

35

315

375

470

510

4. Revestimiento de techos

- Tejas Peso (kgf/𝑚2)

Tejas curva de arcilla (2 kgf/pza; 30 pza/𝑚2)

Sin mortero de asiento

Con mortero de asiento

Tejas de cemento

Tejas asfálticas

50

100

60

8

- Láminas corrugadas Peso (kgf/𝑚2)

Acero Galvanizado (según dimensiones y espesores entre 0.20

y 0.60 mm)

Acero recubierto con asfalto y aluminio en ambas caras

Aluminio (según dimensiones y espesores entre 0.3 y 0.7 mm)

Asbesto – cemento

Plástico

2 – 6

7

1.15 – 2.65

15

2

- Otros revestimientos Peso (kgf/𝑚2)

Machihembrados sobre correas de madera

Cielos rasos colgantes de paneles livianos

50

20

47

Tabla 3. (Continuación).

Pesos Unitarios probables de elementos constructivos.

5. Impermeabilizaciones

Peso (kgf/𝑚2)

Acabado de Gravilla

Acabado de panelas

Fieltros de emulsión asfáltica: por cada capa de fieltro

Manto asfaltico en una sola capa, reforzada interiormente y

con acabado exterior:

2mm de espesor

3mm de espesor

4mm de espesor

5mm de espesor

60

80

5

3

4

5

6

6. Pavimentos

Peso (kgf/𝑚2)

Baldosas vinílicas o asfálticas sobre capa de mortero de 2

cm

Baldosas de gres o cerámica sobre mortero de 3 cm de

espesor

Granito artificial con un espesor total de 5 cm

Mármol de 2 cm sobre mortero de 3 cm

Baldosas de parquet sobre mortero de 3 cm

50

80

100

120

70

7. Frisos y revestimientos de paredes

- Frisos Peso (kgf/𝑚2) por cm de espesor

Cal y cemento

Cal y yeso

Cemento

Cemento y yeso

Yeso

19

17

22

19

12

- Revestimiento Peso (kgf/𝑚2), con base de 1.5 cm

Porcelana

Gres

40

45

Nota. Adaptada de Norma COVENIN 2002:1988

Específicamente se designan como cargas permanentes en una edificación sus

componentes fijos, como lo son las placas y losas de concreto armado, los sobre pisos,

los pisos, los cielorrasos, las paredes de mampostería, los tabiques divisorios anclados,

las aislaciones, los revestimientos, las instalaciones sanitarias, eléctricas, de gas y aire

acondicionado, las maquinarias fijas adheridas a pisos o paredes y todos los restantes

48

elementos estructurales, no estructurales u ornamentales, cuyo conjunto conforma un

edificio en forma inamovible. (Diseño de estructuras metálicas. Estados Límites LRFD,

2003)

Acciones variables. Son aquellas que actúan sobre la edificación con una

magnitud variable en el tiempo y que se deben a su ocupación y uso habitual,

como las cargas de personas, objetos, vehículos, ascensores, maquinarias,

grúas móviles, sus efectos de impacto, así como las acciones variables de

temperatura, y los empujes de tierras que tengan un carácter variable.

La determinación de cargas variables se realiza mediante estudios estadísticos que

permitan describirlas probabilísticamente, pero cuando no se disponga de estos

estudios o de una información precisa sobre las cargas variables, entonces se podrán

utilizar los valores contenidos en la Tabla 5.1, fijada en la Norma COVENIN 2002-

1988.

Acciones extraordinarias. Son las acciones que normalmente no se

consideran entre las que actúan en la vida útil de una edificación y que, sin

embargo, pueden presentarse en casos excepcionales y causar catástrofes,

como las acciones debidas a explosiones, incendios, etc.

Acciones accidentales. Son las acciones que en la vida útil de la edificación

tienen una pequeña probabilidad de ocurrencia solo durante lapsos breves de

tiempo, como las acciones debidas al sismo, al viento, etc.

Acciones del sismo. Son las acciones producidas por movimientos del

terreno originados por los sismos. (…) Para estas acciones se utilizan las

Normas COVENIN-MINDUR 1756, “Edificaciones Antisísmicas”.

A los fines de la aplicación de esta norma, el país ha sido dividido en ocho zonas.

Estas se indican en el Mapa de la figura 4.

49

Figura 4. Mapa de zonificación sísmica del país, con fines de ingeniería (1999). Extraída de la Norma COVENIN 1756:2001

49

50

Los parámetros que caracterizan los movimientos de diseño dependen de las

condiciones geotécnicas locales definidas en el capítulo 5 de las normas COVENIN

1756:2001. El coeficiente de la aceleración horizontal (Ao) para cada zona se da en la

tabla 4. El coeficiente de aceleración vertical, se tomará 0.7 veces los valores dados en

la tabla 2.

Nota. Tomada de la Norma COVENIN 1756:2001

Esta norma considera cuatro formas espectrales tipificadas (s1 a s4) y un factor de

corrección para el coeficiente de aceleración horizontal (ϕ), los cuales dependen de las

características del perfil geotécnico del terreno de fundación. La selección de la forma

espectral y el factor ϕ se hará con arreglo a la Tabla 5.

En aquellos casos en los cuales la selección de la forma espectral con arreglo a la

tabla 5, resulte dudosa, se utilizará la forma espectral que conduzca a las acciones

sísmicas más desfavorables. Cuando en el perfil geotécnico existan suelos que bajo la

acción sísmica sean susceptibles a licuar, o que su resistencia al corte se degrade o que

experimenten cambios volumétricos importantes, se deberán realizar estudios

particulares para evaluar la respuesta dinámica del perfil y establecer la forma espectral

Tabla 4.

Valores de Ao

51

y el coeficiente de aceleración horizontal a utilizar en el diseño. Los modelos utilizados

para los análisis deberán reflejar los cambios en las propiedades de dichos suelos por

el efecto de la carga cíclica.

Es necesario tomar en cuenta la clasificación de las edificaciones según el uso, nivel

de diseño, tipo y regularidad estructural, para los efectos de la aplicación de la norma

para edificaciones sismo resistentes.

Nota. Tomada de la Norma COVENIN 1756:2001

Según su uso:

Tabla 5.

Forma espectral y factor de corrección.

52

- Grupo A: Edificaciones que albergan instalaciones esenciales, de

funcionamiento vital en condiciones de emergencia o cuya falla pueda dar lugar

a cuantiosas pérdidas humanas o económicas, tales como, aunque no limitadas a:

hospitales, edificios gubernamentales etc.

- Grupo B: Edificaciones de uso público o privado, densamente ocupadas,

permanente o temporalmente,

- Grupo B2: Edificaciones de uso público o privado, de baja ocupación, que no

excedan los límites indicados en el Grupo B1

- Grupo C: Construcciones no clasificables en los grupos anteriores, ni destinadas

a la habitación o al uso público y cuyo derrumbe no pueda causar daños a

edificaciones de los tres primeros Grupos.

De acuerdo con la clasificación descrita, se establece un factor de importancia (α)

conforme con la tabla 6.

Nota. Tomada de la Norma COVENIN 1756:2001

A su vez la norma distingue tres niveles de diseño, que dependen de la zona sísmica

en la que está ubicada la estructura y el grupo al que pertenezca, los niveles se

especifican de la siguiente manera:

Tabla 6.

Factor de importancia

53

- Nivel de diseño 1: El diseño en zonas sísmicas no requiere la

aplicación de requisitos adicionales a los establecidos para acciones

gravitacionales.

- Nivel de diseño 2: Requiere la aplicación de los requisitos

adicionales establecidos en las Normas COVENIN-MINDUR.

- Nivel de diseño 3: Requiere la aplicación de todos los requisitos

adicionales para el diseño en zonas sísmicas establecidos en las

Normas COVENIN-MINDUR.

Se usará uno de los niveles de diseño indicados en la tabla 7.

Nota. (*) Válido para edificaciones de hasta 10 pisos o 30 m de altura. (**) Válido

para edificaciones de hasta 2 pisos u 8 m de altura. Tomada de la Norma COVENIN

1756:2001

La norma COVENIN 1756:2001 establece los tipos de sistemas en función de los

componentes del sistema resistente a sismos, descritos de la siguiente manera:

- TIPO I: Estructuras capaces de resistir la totalidad de las acciones

sísmicas mediante sus vigas y columnas, tales como los sistemas

Tabla 7.

Niveles de Diseño.

54

estructurales constituidos por pórticos. Los ejes de columnas deben

mantenerse continuos hasta su fundación.

- TIPO II: Estructuras constituidas por combinaciones de los Tipos I y III,

teniendo ambos el mismo Nivel de Diseño. Su acción conjunta deber

ser capaz de resistir la totalidad de las fuerzas sísmicas. Los pórticos por

sí solos deberán estar en capacidad de resistir por lo menos el

veinticinco por ciento (25%) de esas fuerzas.

- TIPO III: Estructuras capaces de resistir la totalidad de las acciones

sísmicas mediante pórticos diagonalizados o muros estructurales de

concreto armado o de sección mixta acero-concreto, que soportan la

totalidad de las cargas permanentes y variables. Los últimos son los

sistemas comúnmente llamados de muros. Se considerarán igualmente

dentro de este Grupo las combinaciones de los Tipos I y III, cuyos

pórticos no sean capaces de resistir por sí solos por lo menos el

veinticinco por ciento (25%) de las fuerzas sísmicas totales, respetando

en su diseño, el Nivel de Diseño adoptado para toda la estructura. Se

distinguen como Tipo III a los sistemas conformados por muros de

concreto armado acoplados con dinteles o vigas dúctiles, así como los

pórticos de acero con diagonales excéntricas acopladas con eslabones

dúctiles.

- TIPO IV: Estructuras que no posean diafragmas con la rigidez y

resistencia necesarias para distribuir eficazmente las fuerzas sísmicas

entre los diversos miembros verticales. Estructuras sustentadas por una

sola columna. Edificaciones con losas sin vigas.

En la tabla 8 se observan los máximos valores del factor de reducción de respuesta

(R), para estructuras de acero, según su tipo y niveles de diseño.

55

Tabla 8.

Factor de reducción R.

NIVEL

DE

DISEÑO

ESTRUCTURAS DE ACERO

TIPO DE ESTRUCTURA

I(1) II III IIIa IV

ND3 6.0(2) 5.0 4.0 6.0(3) 2.0

ND2 4.5 4.0 - - 1.5

ND1 2.5 2.25 2.0 - 1.25

Nota. (1) Para sistemas con columnas articuladas en su base el valor de R será

multiplicado por 0.75. (2) En pórticos con vigas de celosía se usará 5.0 limitado a

edificios de no más de 30 metros de altura. (3) En aquellos casos donde la conexión

viga colectora-columna sea del tipo PR, según la norma COVENIN 1618-98, úsese 5.0.

Información tomada de la Norma COVENIN 1756:2001

El coeficiente sísmico para las edificaciones está definido como Vo/W y no será

menor que (α Ao) / R,

Donde:

- α = Factor de importancia (Tabla 6).

- Ao = Coeficiente de la aceleración horizontal para cada zona (Tabla

4)

- R = Factor de reducción (Tabla 8).

- Vo = Fuerza cortante a nivel de base.

56

- W = Peso total de la edificación por encima del nivel de base. Para

la determinación del peso total W, a las acciones permanentes

deberán sumarse los porcentajes de las acciones variables

establecidas en la Norma COVENIN 2002, según se indica a

continuación:

Recipientes de líquidos, cien por ciento (100%) de la carga de

servicio, con el recipiente lleno.

Almacenes y depósitos en general, donde la carga tenga el carácter

de permanente tales como bibliotecas o archivos: cien por ciento

(100%) de la carga de servicio.

Estacionamientos públicos, en ningún caso el valor que se adopte

será menor que el cincuenta por ciento (50%) de la carga variable de

servicio establecida en las normas respectivas, considerando el

estacionamiento lleno.

Edificaciones donde pueda haber concentración de público, más de

unas 200 personas, tales como: educacionales, comerciales, cines e

industrias, así como escaleras y vías de escape: cincuenta por ciento

(50%) de la carga variable de servicio.

Entrepisos de edificaciones, no incluidos en (d) tales como: viviendas

y estacionamientos distintos de c): veinticinco por ciento (25%) de la

carga variable de servicio.

Techos y terrazas no accesibles: cero por ciento (0%) de la carga

variable.

57

Las ordenadas Ad de los espectros de diseño, quedan definidas en función de su

periodo T tan como se indica en la figura 5, en la siguiente forma:

T < T+ Ad = ∝φAo [1+

T

T∗ (β−1)]

1+(T

T∗) (R−1) (1)

T < T+ Ad = ∝φAo

R (2)

T > T∗ Ad = ∝φAo

R(

T∗

T)

p

(3)

Donde:

Ad = Ordenada del espectro de diseño, expresada como una fracción de la

aceleración de gravedad.

ϕ = Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal (Tabla 5).

β = Factor de magnificación promedio (Tabla 9).

To = 0.25T* Período a partir del cual los espectros normalizados tienen un valor

constante (seg).

T* = Máximo período en el intervalo donde los espectros normalizados tienen

un valor constante (Tabla 9).

T+ ≥ To Período característico de variación de respuesta dúctil (seg). (Tabla

10)

c = √R/β4

R = Factor de reducción de respuesta (Tabla 8)

58

p = Exponente que define la rama descendente del espectro (Tabla 9).

Tabla 9.

Valores de 𝑇∗, 𝛽 𝑦 𝑝

FORMA

ESPECTRAL T∗

(seg) β p

S1 0.4 2.4 1.0

S2 0.7 2.6 1.0

S3 1.0 2.8 1.0

S4 1.3 3.0 0.8

Nota. Adaptación de la Norma COVENIN 1756:2001

Tabla 10.

Valores de 𝑇+(1)

CASO 𝑇+ (seg)

R < 5 0.1 (R –

1)

R ≥ 5 0.4

Nota. Tomado de Norma COVENIN 1756:2001

Figura 5. Diagrama de espectro de respuesta elástico (R=1). Tomada de Norma

COVENIN 1756:2001

59

Acciones del viento. Son las acciones producidas por el aire en movimiento

sobre los objetos que se interponen, y consisten, principalmente, en empujes

y succiones. Para estas acciones se utilizan las Normas COVENIN-MINDUR

2003, “Acciones del viento sobre las construcciones”.

La norma COVENIN 2003 afirma que las acciones consideradas en ella son función

del grado de seguridad aconsejable para las construcciones, el cual está implícito en la

clasificación que de acuerdo al uso se hace a continuación:

Grupo A: Son aquellas construcciones cuya falla pueda ocasionar

cuantiosas pérdidas humanas o económicas, o que contienen

instalaciones esenciales cuyo funcionamiento es vital en condiciones

de emergencia, tales como, aunque no limitadas a:

- Hospitales, puestos de emergencia o centros de salud en general.

- Edificaciones que contienen objetos de valor excepcional, tales como

museos, monumentos y templos de valor histórico.

Grupo B: Pertenecen a este Grupo las construcciones de uso público

o privado tales como, aunque no limitadas a:

- Viviendas unifamiliares y bifamiliares en general.

- Edificios destinados a viviendas, comercios y actividades similares

- Plantas e instalaciones industriales.

Grupo C: Este Grupo comprende las construcciones no clasificables

en los Grupos anteriores, no destinadas a uso como habitación o al

60

uso público, y cuyo colapso no pueda causar daños a las

construcciones de los dos primeros Grupos.

De acuerdo con la anterior clasificación se establece para cada grupo un factor de

importancia eólica (α), conforme con la tabla 11.

Tabla 11.

Factor de importancia eólica.

GRUPO α

A 1.15

B 1.00

C 0.90

Nota. Tomada de la Norma COVENIN 2003-89

La norma COVENIN 2003-89 establece que en respuesta a la naturaleza de los

principales efectos que el viento puede ocasionar en las construcciones, estas se

clasifican según las características de la geometría expuesta a la acción del viento en

los siguientes tipos:

Tipo I: Este Tipo comprende las construcciones cerradas poco

sensibles a las ráfagas y a los efectos dinámicos del viento, y aquellas

cerradas en general cuya esbeltez sea menor o igual a 5 o cuyo

período natural de vibración sea menor o igual a 1 segundo. Están

comprendidas en este Tipo las construcciones con cubiertas de

láminas, con una o más fachadas abiertas destinadas a naves

industriales, teatros, auditorios, depósitos, etc, y otras construcciones

cerradas destinadas a usos similares. También se incluyen las

cubiertas estructurales rígidas, o sea aquellas capaces de resistir las

acciones debidas al viento sin variar sustancialmente su geometría.

61

Tipo II: Se incluyen dentro de este Tipo las construcciones abiertas

cuya esbeltez sea menor o igual a 5 o que tengan un período natural

de vibración menor o igual a 1 segundo, tales como las torres o

antenas atirantadas y en voladizo, los tanques elevados, los parapetos

y las vallas.

Tipo III: Pertenecen a este Tipo aquellas construcciones

especialmente sensibles a las ráfagas de corta duración las cuales

favorecen la ocurrencia de oscilaciones importantes. Comprende las

construcciones definidas como Tipos I y II cuya relación de esbeltez

sea mayor de 5 o cuyo período natural de vibración sea mayor de 1

segundo, o las que por su geometría sean propensas a fuertes

vibraciones.

Tipo IV: Se tipifican en este grupo las construcciones que presentan

problemas aerodinámicos particulares, tales como las cubiertas

colgantes excluidas del Tipo I, las formas aerodinámicas inestables,

las construcciones flexibles con varios períodos de vibración

próximos entre sí, etc.

También la norma establece el tipo de exposición para el sitio donde se construirá

la edificación, el cual se selecciona tomando en cuenta las características de las

irregularidades en la superficie del terreno. Se consideran debidamente las variaciones

importantes en la rugosidad de la superficie del terreno, las cuales pueden atribuirse

tanto a la vegetación y a la topografía natural, como al efecto de las construcciones

existentes. El tipo de exposición quedará clasificado de acuerdo con las características

generales que se describen a continuación:

Tipo de exposición A: Este Tipo corresponde a grandes centros

urbanos donde al menos un 50% de las construcciones tiene alturas

62

superiores a 20 metros. Se atribuye este Tipo a las áreas las cuales

prevalecen esas características en la dirección desde donde sopla el

viento, por lo menos en una distancia que sea el mayor valor entre

800 metros o 10 veces la altura de la construcción en estudio.

Tipo de exposición B: Este Tipo incluye a las áreas urbanas,

suburbanas, boscosas u otros terrenos con numerosas obstrucciones

que tengan las dimensiones usuales de viviendas unifamiliares con

altura promedio no superior a 10 m. Se clasifican en este Tipo las

áreas en las cuales se presentan esas características en la dirección

desde donde sopla el viento, por lo menos en una distancia que sea el

mayor valor entre 500 metros y 10 veces la altura de la construcción

en estudio.

Tipo de exposición C: Este tipo corresponde a las planicies, los

campos abiertos, las sabanas y terrenos abiertos con obstrucciones

dispersas cuya altura en general no sobrepasa de 10 metros.

Tipo de exposición D: Se clasifican en este Tipo las áreas planas del

litoral que no tengan obstrucciones y que estén expuestas a vientos

que soplan sobre grandes masas de agua. Comprende este Tipo las

áreas con las características descritas y ubicadas con relación a la

costa a una distancia que sea el mayor valor entre 500 metros y 10

veces la altura de la construcción en estudio.

Las acciones sobre los sistemas resistentes al viento, los componentes estructurales

individuales y los cerramientos, se determinarán utilizando el procedimiento analítico

para el cálculo de la acción del viento. Las acciones provocadas por el efecto del viento

se expresan mediante la siguiente ecuación general:

𝑊 = 𝑞 × 𝐺 × 𝐶 × 𝐴 (4)

63

Donde:

- W = Magnitud del empuje o succión que el viento produce sobre la

superficie A.

- q = Presión dinámica ejercida por el viento de "velocidad básica" V

sobre la proyección de la superficie en el plano normal a su dirección,

donde dicha velocidad se anula.

- G = Factor de respuesta ante ráfagas para considerar la naturaleza

fluctuante del viento y su interacción con las construcciones.

- C = Coeficiente de empuje o succión que depende de la forma de la

construcción.

- A = Área de la superficie expuesta o área proyectada sobre un plano

normal a la dirección del viento.

La velocidad básica del viento (V) se define como la velocidad correspondiente al

tiempo patrón de recorrido del viento medida a 10 metros sobre un terreno Tipo de

Exposición C y asociada a un período de retorno de 50 años, se seleccionará de acuerdo

con la región utilizando la Tabla 13. En ningún caso la velocidad básica será menor de

70 km/h.

Acciones mínimas. Las acciones del viento en condiciones de

servicio para los sistemas resistentes al viento no será menor de 30

kgf/𝑚2 aplicada al área proyectada de la construcción sobre un plano

vertical que sea perpendicular a la dirección del viento.

Presión dinámica. Es la presión generada por la velocidad básica del

viento en función de la altura sobre el terreno, que viene dada por la

64

ecuación de presión de Bernoulli, donde la altura será z para las

fachadas a barlovento y h para la fachada a sotavento.

𝑞𝑧 = 0,00485𝐾𝑧 ∝ 𝑉2 (5)

Para z ≤ 4,50 m 𝐾𝑧 = 2.58 (4.50

𝑧𝑔)

2𝛽⁄

(6)

Para z > 4,50 m 𝐾𝑧 = 2.58 (𝑧

𝑧𝑔)

2𝛽⁄

(7)

𝑞ℎ = 0,00485𝐾ℎ ∝ 𝑉2 (8)

Para z ≤ 4,50 m 𝐾ℎ = 2.58 (4.50

𝑧𝑔)

2𝛽⁄

(9)

Para z > 4,50 m 𝐾ℎ = 2.58 (ℎ

𝑧𝑔)

2𝛽⁄

(10)

En la tabla 12 se suministran los valores de Kz y Kh para las alturas más usuales.

Se definen dos factores de respuesta ante ráfagas, Gh para los sistemas resistentes

al viento y GZ para los componentes y cerramientos. Los factores de respuesta ante

ráfagas definidos por la norma son los menores de 1.0.

Para los sistemas resistentes al viento de las construcciones Tipo I y Tipo II, el factor

de respuesta ante ráfagas Gh tiene un valor único para fachadas a barlovento y

sotavento, que se obtiene a través de las ecuaciones 11 y 12.

𝐺ℎ = 0.65 + 3.65 𝛿ℎ (11)

65

𝛿ℎ = 2.35 √𝑘

(ℎ

9.0)

1𝛽⁄ (12)

Donde:

- 𝛿ℎ = Factor de exposición que representa la intensidad de la

turbulencia, evaluado a la altura media del techo para construcciones

Tipo I o 1a altura total para construcciones Tipo II.

- K = Coeficiente de arrastre sobre una superficie, dado en la tabla 14

Tabla 12.

Coeficiente de exposición a la presión dinámica Kz o Kh

ALTURA

SOBRE EL

TERRENO z

ó h metros

TIPO DE EXPOSICIÓN

A B C D

0 a 4.50 0.118 0.363 0.800 1.207

5 0.126 0.380 0.825 1.233

6 0.142 0.413 0.869 1.279

7 0.158 0.442 0.908 1.319

8 0.173 0.469 0.943 1.355

9 0.187 0.494 0.976 1.387

10 0.200 0.518 1.006 1.417

11 0.214 0.540 1.033 1.444

12 0.226 0.562 1.059 1.469

13 0.239 0.582 1.084 1.493

Nota. Adaptación de la Norma COVENIN 2003-89

66

Tabla 13.

Velocidad básica del viento (V) en km/h

LOCALIDAD V LOCALIDAD V

ANZOATEGUI

Barcelona

APURE

Guasdualito

San Fernando

95

87

85

LARA

Barquisimeto

MERIDA

Merida

MONAGAS

100

70

ARAGUA

Colonia Tovar

Maracay

BOLIVAR

Ciudad Bolívar

70

72

77

Maturín

NUEVA ESPARTA

Porlamar

PORTUGUESA

Acarigua

Guanare

SUCRE

Cumaná

Guiria

TACHIRA

Colón

La Grita

San Antonio

TERRITORIO

FEDERAL

AMAZONAS

Puerto Ayacucho

ZULIA

La Cañada

Maracaibo

102

70

70

70

79

83

70

70

83

83

103

96

Sta. Elena de

Uairén 74

Tumeremo

CARABOBO

Morón

Puerto Cabello

DISTRITO

FEDERAL

Caracas

La Orchila

Maiquetía

80

70

70

78

76

93

FALCON

Coro

GUARICO

Carrizal

75

73

Nota. Adaptación de Norma COVENIN 2003-89

Tabla 14.

Coeficiente de arrastre K sobre una superficie

TIPO DE EXPOSICIÓN COEFICIENTE K

A 0.025

B 0.010

C 0.005

D 0.003

Nota. Adaptación de la norma COVENIN 2003-89

67

El valor de los coeficientes de empuje y succión depende de la forma geométrica de

la estructura, se identifican con los subíndices "i" o "e" para señalar acciones internas

o externas. El valor del coeficiente será de signo positivo en caso de empuje y negativo

en caso de succión.

En la tabla 15 se definen los coeficientes de Cp de empujes y succiones externas

para el cálculo de las acciones del viento en el plano de la estructura, en este caso los

coeficientes de empuje sobre los techos planos de sistemas resistentes al viento (Figura

6).

Nota. (*) Los valores de esta columna son aplicables para ángulos comprendidos

entre 10° y 15°. Tomada de Norma COVENIN 2003-89

Figura 6. Coeficiente Cp para el cálculo de las acciones externas sobre los techos

planos de sistemas resistentes al viento. Tomada de Norma COVENIN 2003-89.

Tabla 15.

Coeficiente de arrastre K sobre una superficie.

68

Los valores de las presiones de empuje o succion sobre la estructura se determinan

con el uso de la tabla 16.

Nota. Tomada de Norma COVENIN 2003-89

Tabla 16.

Acciones en sistemas resistentes al viento

69

Métodos de diseño en acero

Existen dos métodos de diseño en acero, el diseño por esfuerzos admisibles (ASD),

y el método de los estados límites o método de los factores de carga y resistencia

(LRFD), el primero se basa en que las solicitaciones generadas por cargas de servicio

actuantes en la estructura no exceda los esfuerzos admisibles de trabajo, que no son

más que una fracción del esfuerzo de cadencia del material. Por otro lado el método de

los estados limites o LRFD se basa en que la resistencia del elemento minorada,

determinada al evaluar los posibles estados límites de falla, debe ser mayor o igual a la

solicitación ultima mayorada que actúa sobre él.

Las normas que rigen el diseño estructural en acero como es el caso de la norma

americana AISC, desde su primera publicación la cual estaba basada en el diseño por

esfuerzos permisibles, se ha ido actualizando hasta incorporar el método de los estados

limites o LRFD, Sin embargo la normativa ha hecho un esfuerzo de manera de incluir

el uso alternativo de ambos métodos de diseño (LRFD o ASD) en su contenido,

permitiendo al diseñador elegir discrecionalmente el uso de uno u otro método.

Diseño en rango elástico (ASD)

Actualmente se ha demostrado la confiabilidad del método LRFD, pero existen

muchos ingenieros que diseñan con el método ASD, y es importante resaltar, que en

algunos países se han realizado actualizaciones a las normas referentes a este método.

Para la aplicación del procedimiento ASD se trabaja con las cargas sin mayorar, es

decir con las cargas de servicio, pero utilizando solo una fracción de su resistencia.

Cuando se trabaje con el método de los esfuerzos permisibles, todos los miembros

de estructura deben cumplir con la hipótesis básica de las leyes de la elasticidad, que

según Fratelli (2003) se enumeran de la siguiente manera:

70

Es válida la ley de Hooke, que implica la proporcionalidad entre los esfuerzos

y las deformaciones.

Los valores del módulo de elasticidad longitudinal (E), del módulo de corte

(G) y del coeficiente de poisson (v), permanecen constantes durante la

respuesta del sistema bajo las cargas aplicadas.

Es válido el principio de superposición entre causas y efectos.

En flexión, las secciones planas antes de la deformación continúan planas

luego de producida esta.

Se desprecia la influencia de los esfuerzos residuales.

Diseño con factores de carga y resistencia (LRFD)

El método de diseño por estados limites (LRFD), es el más utilizado en Venezuela

y en el mundo, básicamente consiste en que se mayoran las acciones o cargas, a los

cuales va a estar sometida la estructura, y se minora la capacidad resistente de los

elementos, debiéndose cumplir, que las resistencia minorada de los miembros o

conexiones, tiene que ser mayor o por lo menos igual, a los efectos o solicitaciones

factorizadas, la expresión que rige el diseño por estados limites es la siguiente:

ϕRn ≥ Ru

Donde:

Φ = Factor de minoración de resistencia

Rn = Resistencia nominal de los elementos o de la conexión

71

Ru = Solicitación ultima factorizadas

Estados limites

La norma COVENIN 1618-1998 “Estructuras de acero para edificaciones. Métodos

de los estados límites” explica que el objetivo del diseño por el Método de los Estados

Límites es mantener una baja probabilidad de alcanzar un estado límite preestablecido

para una dada tipología estructural. Para lograr este objetivo la demanda de rigidez,

resistencia, estabilidad y de absorción y disipación de energía sobre la estructura, sus

miembros y juntas no debe exceder la capacidad de rigidez, resistencia, estabilidad y

de absorción y disipación de energía de los mismos. En esta Norma se alcanza este

objetivo multiplicando las solicitaciones por sus factores de mayoración para

cuantificar la demanda y multiplicando las resistencias teóricas por sus factores de

minoración para calcular la capacidad. La confiabilidad final de la edificación estará

dada entonces por el cabal cumplimiento de esta Norma incluyendo un correcto

detallado, fabricación, montaje, inspección y mantenimiento.

Conforme a lo revisado en la norma sobre el proyecto, montaje, construcción y

mantenimiento de las estructuras se considerarán todos los estados límites que puedan

presentarse durante su montaje o construcción y posterior vida útil. Según la norma

COVENIN 1618-1998, se consideraran como mínimo:

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 contraflechas, vibraciones, fatiga,

efectos de temperatura, deslizamiento en las juntas y conexiones, y corrosión.

72

La estructura no solo debe ser capaz de soportar las cargas de diseño o ultimas sino

también las de servicio o trabajo en forma tal, que cumplan los requisitos de sus

usuarios. Las especificaciones LRFD se concentran en requisitos muy específicos

relativos a los estados límites de resistencia y le permiten al proyectista cierta liberad

en el área de servicio. Esto no significa que el estado límite de servicio no sea

importante, si no que la consideración más importante es la seguridad e integridad de

las personas.

Factores de carga

La norma COVENIN 1618-1998 explica que, las solicitaciones mayoradas sobre la

estructura, sus miembros, juntas y conexiones, así como su sistema de fundación, se

determinarán de la hipótesis de solicitaciones que produzca el efecto más desfavorable.

El efecto más desfavorable puede ocurrir cuando una o más solicitaciones no están

actuando, por lo que todas las combinaciones indicadas a continuación deben ser

investigadas, igualmente se investigarán las cargas de magnitud inferior a las máximas

especificadas pero que actúan con un gran número de ciclos. Cuando la solicitación

pueda cambiar de dirección, se tendrá en cuenta en todas las combinaciones posibles,

cambiando adecuadamente sus signos, establecidas en el artículo 10.3 de la misma

norma:

1,4 CP (13)

1,2 CP + 1,6 CV + 0,5 CVt (14)

1,2 CP + 1,6 CVt + (0,5 CV o 0,8 W) (15)

1,2 CP + 1,3 W +0,5 CV+ 0,5 CVt (16)

0,9 CP ± 1,3 W (17)

73

1,2 CP + γ CV ± S (18)

0,9 CP ± S (19)

El factor de mayoración de la carga variable (CV) en las combinaciones (Ec.15),

(Ec.16) y (Ec.18) será igual a 1.0 en los garajes, las áreas destinadas a concentraciones

públicas y en todas aquellas áreas donde la carga variable sea mayor que 500 kgf/𝑚2 o

en todos los casos en que el porcentaje de las acciones variables sea mayor del 25%.

Es importante tomar en cuenta que la norma COVENIN 1618-1998 “Estructuras de

acero para edificaciones. Método de los estados límites”, no ha sido actualizada y por

lo tanto es necesario complementar la información con lo establecido en la normativa

ASCE 7-10 “Minimum design loads for buildings and other structures).

Factores de minoración de resistencia

Nota. Tomada de Fratelli (2003).

Tabla 17.

Factores de minoración de resistencia (φ)

74

Los factores de minoración de resistencia, comprenden una serie de factores acerca

de la resistencia real de una estructura, esta es muy engorrosa de determinar, por lo

tanto al utilizar los factores de minoración estamos aplicando una especie de factor de

seguridad, que permite que la resistencia que se espera obtener del elemento sea la más

aproximada a la realidad. Los factores característicos en el diseño en acero estructural

se muestran en la tabla 17.

Conexiones

Fratelli (2003) indica que las estructuras de acero están compuestas por miembros

que deben ensamblarse entre sí para materializar los edificios y permitir que las cargas

lleguen a los cimentos siguiendo un flujo ordenado y continuo.

Por ello, las conexiones deben diseñarse en forma adecuada, asegurando juntas

resistentes y dúctiles, de alta calidad, fácil montaje y máxima economía. Los medio de

unión que se utilizan en la actualidad se pueden clasificar en dos grandes grupos como

lo son los conectores mecánicos (remaches, pasadores y pernos) y las soldaduras.

Tipos de Conexiones

Conexiones a momento.

Según Fratelli (2003) las uniones de momento, son las utilizadas para materializar

las uniones elásticas o nodos de los pórticos rígidos, con la capacidad de transmitir el

100% de los momentos flectores, las fuerzas axiales y cortantes entre vigas y columnas

del sistema, ver figura 7.

Conexiones a corte.

Conocidas también como conexiones flexibles tipo II, el mismo autor citado indica

que estas uniones pueden materializarse mediante ángulos de asiento en contacto con

75

el ala inferior de la viga y ángulos de sujeción en el ala superior, permitiendo

rotación de los extremos. Por otra parte se debe aceptar que esta conexión puede resistir

hasta un 10% del momento actuante, eso suele despreciarse, ver figura 8.

Conexiones Semirrígidas.

Este tipo de conexión son conexiones intermedias entre las conexiones a momento

y conexiones a corte y otorgan un grado de restricción de aproximadamente un 75%

del momento flector actuante, que a su vez resisten la totalidad de la fuerza axial y de

corte actuante, ver figura 9.

Figura 8. Conexiones a momento, a) conexión apernada, b) conexión soldada, tomada

de Fratelli (2003).

Figura 7. Tipos de Conexiones a corte más comunes. Tomada de Fratelli (2003).

76

Soldadura

Fratelli (2003) describe la soldadura como un proceso mediante el cual se unen

elementos metálicos, calentándolos hasta el estado fluido o casi fluido y aplicando o

no presión entre ellos. Torija (2010) lo define como el proceso de unión de partes

metálicas mediante con o sin adición de otro metal fundido. Existen dos tipos de

procedimientos generales de soldadura: soldadura con gas y soldadura por arco

eléctrico. En las edificaciones de acero, casi toda la soldadura estructural es por arco.

Ventajas de las soldaduras.

Algunas ventajas en el uso de soldaduras señalas por Fratelli (2003) son:

Economía de material. El proceso solamente requiere el uso de electrodos y

equipo de soldar.

Figura 9. Conexiones Semirrígidas. Tomada de Fratelli (2003).

77

Rapidez de ejecución de las uniones. Es un proceso muy veloz que toma

minutos, en general la velocidad del proceso depende del tamaño de la unión

así como de la pericia del técnico.

Perfecta conexión de los elementos. La soldadura representa un proceso de

fusión, por ende la unión que se realiza es a nivel molecular.

Limpieza en los acabados. Al ser un proceso de fusión, la soldadura después

de finalizada puede cepillarse o a través de un proceso de esmerilado, puede

adquirir una apariencia lisa, homogénea y continua.

Procedimiento para soldar.

Torija (2010) afirma que existen dos procedimientos generales de soldadura:

Soldadura con gas y soldadura por arco eléctrico.

En la soldadura por arco se forma un arco eléctrico entre las piezas que se sueldan

y el electrodo. El arco es una chispa continua, entre el electrodo y el metal base,

provocando la fusión de ambas con temperaturas que oscilan entre los 5000 grados

centígrados, en el acero cerca del arco, hasta unos 19000 grados. (Ver figura 10).

Figura 10. Soldadura por arco. Tomada de Torija (2010).

78

Nota. Tomada de “Diseño De Estructuras Metálicas. Estados Límites LRFD”.

Tomada de Fratelli (2003).

El tipo de electrodo que se utiliza es muy importante, indicado por el mismo autor

ya que afecta las propiedades de la soldadura, tales como la resistencia y ductilidad.

Según Fratelli (2003) el criterio de elección vendrá dado por la compatibilidad entre el

metal de aporte del electrodo y el acero que se desea soldar. El material del electrodo

es especificado en varias normas de la American Welding Society (AWS) y es

resumido en la tabla 18.

Tipo de juntas Soldadas

Los tipos de juntas dependen de factores como el tamaño y forma de los miembros

que forman la junta, el tipo de carga, la cantidad de área en la junta disponible para

soldar y el costo de varios tipos de soldaduras. Torija (2010) señala que existen cuatro

tipos básicos de juntas soldadas, aunque en la práctica se consiguen muchas variaciones

y combinaciones.

Tabla 18.

Compatibilidad de electrodos con el metal base.

79

Estos cuatro tipos básicos de juntas son:

Junto a Tope

Junta a solape

Junta en Tee

Junta de esquina

Clasificación de las soldaduras

Torija (2010) clasifica las soldaduras en cuatro tipos:

Soldadura de ranura

Soldadura de filete

Soldadura de acanalada

Figura 11. Tipos básicos de juntas soldadas. Tomada de Torija (2010)

80

Soldadura de tapón

Los dos tipos de Soldaduras principales o más usadas son la de Ranura y la de filete.

Las soldaduras de tapón y de canal son menos comunes en el trabajo estructural.

Soldaduras de Ranura

Torija (2010) señala que las soldaduras de ranura se usan cuando los miembros que

se conectan están alineados en el mismo plano y las uniones están normalmente sujetas

a esfuerzos directos de tracción o compresión. Ofrece mayor resistencia que la de filete;

sin embargo la mayoría de las uniones estructurales deben resolverse a filete.

Figura 12. Tipos de Soldadura. Tomada de Torija (2010).

81

Soldaduras de filete

Torija (2010) expresa que los cordones de soldadura a filete A están cargados en

corte longitudinal y el cordón B está cargado en corte transversal. Si se incrementa la

fuerza Ru hasta que exceda la resistencia de las soldaduras, la ruptura ocurrirá en los

planos de menor resistencia. Se asume que esto sucede en la garganta de la soldadura

donde se presenta la menor área transversal. Pruebas de soldaduras a filete utilizando

electrodos compatibles han demostrados que la soldadura falla a través de su garganta

efectiva antes que el material falle a lo largo del lado del cordón.

Las soldaduras de filete son más resistentes a la tracción y a la compresión que al

corte, de manera que los esfuerzos determinantes son los de corte, el mismo autor

afirma que este tipo de soldaduras falla por corte en un ángulo de aproximadamente 45

grados a través de la garganta.

Torija (2010) describe la dimensión efectiva de una soldadura de filete como la

distancia más corta desde la raíz a la cara de la soldadura. Si se asume que la soldadura

de filete tiene lados iguales de tamaño nominal a la garganta efectiva es igual a 0.707a.

Figura 13. Soldaduras a filete. Tomada de Torija (2010)

82

Si la soldadura de filete se diseña para ser asimétrica, con lados desiguales, el valor de

te debe calcularse de la forma de la soldadura.

LRFD modifica las dimensiones efectivas de la garganta para cordones de soldadura

a filete hechos con el proceso de arco sumergido, para tomar en cuenta la calidad

superior de dichas soldaduras:

Para cordones de soldaduras a filete con el tamaño nominal menor o igual a 3/8”

(10 mm), la dimensión efectiva de la garganta se tomará igual al tamaño nominal w.

Para cordones con tamaño nominal mayor que 3/8” la dimensión efectiva de la

garganta se tomara como 0.707w + 2.8 mm (0.11 in)

El área efectiva de un cordón de soldadura a filete Aw es el producto de la longitud

del cordón de soldadura por la dimensión efectiva de la garganta.

Procedimiento de diseño de conexiones soldadas

Torija (2010) señala los siguientes procedimientos de diseño para conexiones:

Figura 14. Dimensiones Efectivas de la garganta para soldaduras a filete. Tomada de

Torija (2010).

83

Seleccionar el proceso de soldadura y el electrodo correspondiente.

De acuerdo con su geometría y espesor de los materiales a unir, definir el tipo

de unión.

Por razones prácticas se escoge un diámetro de electrodo el cual depositara

un espesor constante de soldadura. Para definir la capacidad o resistencia de

agotamiento de la soldadura, debe calcularse su longitud. La capacidad de la

soldadura se calcula como:

ФR = AwфRn = (twLw) фRn = (tw фRn) = (tw фRn) Lw (20)

En el caso particular de la soldadura de filete:

Seleccionar el tamaño del filete.

Con el tamaño del filete escogemos el valor de фFR correspondiente (ver

Tabla 19).

En el caso particular de corte en el área efectiva de la soldadura, verificar que

фFR no exceda la resistencia de los elementos que se conectan:

ФNn = 0.90 Fy A (21)

ФNn = 0.75 Fu Ae (22)

La longitud de cálculo de la soldadura será:

𝐿𝑤 =𝑁𝑢

Ф𝐹𝑟 (23)

84

Diseño de soldadura de filete para miembros de armadura

Torija (2010) señala que los miembros de una armadura soldada consisten de

ángulos simples o dobles, u otros perfiles como canales, perfiles tubulares; y están

sujetos solamente a cargas axiales estáticas. Las especificaciones de la Normas aceptan

que sus conexiones se diseñen mediante los mismos procesos descritos anteriormente.

El proceso consiste en seleccionar el espesor de la soldadura, calcular la longitud

total de la soldadura necesaria y colocar los cordones de soldadura alrededor de los

extremos de los miembros de acuerdo al siguiente criterio:

Si el miembro conectado es simétrico, las soldaduras se colocaran

simétricamente.

Pu=P1+P2= ∅Fw (L1+L2)tw (24)

P1=∅Fw L1 tw ∴ P2=∅Fw L2 tw (25)

La fuerza en el miembro y la resistencia de la soldadura deben coincidir y los

momentos de ambos con respecto a un punto cualquiera deben valer cero.

P2 d – Pu e = 0 (26)

(∅Fw L2 tw) d – ∅Fw (L1+ L2) tw e = 0 (27)

Sustituyendo

𝐿₂ d – (𝐿1 + 𝐿2) e = 0 ∴ 𝐿₂ = ∑ 𝐿

𝑑 𝑒 (28)

Tomando momentos con respecto a 2:

𝑃1 d – (𝐿1 + 𝐿2) (d – e) = 0 (29)

85

Sustituyendo y resolviendo

L1 d – (L1+L2) (d – e) = 0 (30)

L1 = ∑ 𝐿

𝑑 (𝑑 − 𝑒) (31)

Nota. Tomada de “Norma COVENIN 1618:1998”.

LPu = P1 + P2 + P3 = ∅𝐹𝑤 (L1 + L2 + L3) tw (32)

Tabla 19.

Resistencia de las soldaduras.

86

Tomando momentos con respecto a 1:

P2 d + P3 𝑑

2 - Pu e = 0 (33)

Sustituyendo

(∅𝐹𝑤 tw L2) d + (∅𝐹𝑤 tw L3) 𝑑

2 - ∅𝐹𝑤 tw ∑ 𝐿 𝑒 = 0 (34)

L2 d + L3 𝑑

2 - ∑ 𝐿 𝑒 = 0 ∴ L2 =

∑ 𝐿 𝑒

𝑑 -

𝐿₃

2 (35)

Tomando momentos con respecto a 2:

P1 d + P3 𝑑

2 - Pu (d – e) = 0 (36)

L1 d + L3 𝑑

2 = ∑ 𝐿 𝑒 (d – e) ∴ L1 =

∑ 𝐿 𝑒

𝑑 (d – e) -

𝐿₃

2 (37)

∑ 𝐿 = L1 + L2 + L3 L3 = d

Figura 15. Soldadura de filete en armadura. Tomada de Torija (2010)

87

Pernos

Se designan pernos o tornillos a los dispositivos mecánicos de conexión, con cabeza

cuadrada o hexagonal, formados por vástago cilíndrico con roscado exterior en su

extremo libre, que se inserta a través de agujeros pasantes en placas o piezas a unir, y

se ajustan con tuercas en su extremo sobresaliente de rosca como se indica en la figura

17. En las estructuras se emplean pernos hexagonales normalizados, debido a que las

cabezas hexagonales son más fáciles de ajustar y necesitan un espacio menor para girar

con las llaves de apriete señala Fratelli (2003).

Según sus dimensiones, Fratelli (2003) clasifica los pernos en:

Normales

Pesados

Semipesado

Según sus características mecánicas, Fratelli (2003) clasifica los pernos en grados:

Pernos A307

Figura 16. Soldadura de Filete. Tomada de Torija (2010).

88

Pernos A325

Pernos A490

Los pernos A307 son conectores normales sin tornear, elaborados con acero de bajo

contenido de carbono, disponibles en diámetros de ¼” hasta 1 ½”.

Se usan en aplicaciones industriales con cargas estáticas de pequeña magnitud,

especifica el mismo autor. No son aptas para soportar cargas de impacto, fatiga o cargas

vibratorias. Como su apriete no es muy ajustado, se pueden producir desplazamientos

entre las planchas o miembros estructurales que conectan, por lo cual se exige

calcularlos al aplastamiento.

También pueden soportar esfuerzos de tracción axial, como se indica en la Tabla 20.

Los pernos A325 y A490 tienen uso específico estructural, con campo de aplicación

en juntas de pórticos de edificios, puentes, armaduras de techo y galpones.

Figura 17. Detalle de perno de cabeza hexagonal. Tomada de Fratelli 2003

89

Son pernos elaborados con aceros de medio carbono, aleados templados y revenidos.

Fratelli (2003) indica que usualmente las conexiones con pernos de alta resistencia

requieren el uso de una rondana o arandela con superficie endurecida, bajo el elemento

que se hace girar el cual puede ser indistintamente la cabeza o la tuerca del perno.

Cuando se emplean pernos A490 para conectar materiales con Fy < 2800 Kg/cm2, se

deben colocar arandelas en ambos extremos del perno.

Nota. Tomada de “Diseño De Estructuras Metálicas. Estados Límites LRFD” por

María Graciela Fratelli, 2003.

La Tabla 21 indica los esfuerzos de agotamiento a tracción Fu del acero de los

pernos estructurales.

Tabla 20.

Tensiones admisibles en conectores.

90

Nota. Adaptación de “Diseño De Estructuras Metálicas. Estados Límites LRFD” por

María Graciela Fratelli, 2003.

Fratelli (2003) indica que los métodos usados para el apriete de los pernos son:

Método del giro de tuerca: este método se aplica con llaves corrientes de

tuercas, en forma manual. Inicialmente se aprieta la tuerca hasta media vuelta

más allá del punto donde se desarrolla algo de resistencia.

Ajuste con llaves calibradas: Este método de ajuste se realiza con llaves

calibradas de torque o de impacto, operadas mecánicamente, que dejan de

funcionar cuando la tuerca alcanza el apriete deseado.

Tipos de agujeros para pernos

Se obtienen por medio de procesos de sopletado, puncionado o taladrado en el metal,

según forma y dimensiones requiera el agujero de los pernos, se clasifican en (ver tabla

22):

Normales

Extra grandes

Tabla 21.

Esfuerzos de agotamiento tracción Fu del acero de los pernos estructurales.

91

Ranura corta

Ranura larga

Espaciamiento entre conectores

Según Fratelli (2003) toda conexión debe resultar suficientemente resistente, dúctil,

compacta y efectiva para ello el espaciamiento entre conectores debe estar regido por

las siguientes consideraciones:

Si los conectores están muy juntos, se produce interferencia entre ellos, por

superposición de los esfuerzos debido a la fricción de apriete.

Un espaciamiento demasiado cercano trae dificultades al instalar los

conectores, ya que en el caso de los pernos la cabeza de la llave requiere un

espacio mínimo de operación y en los remaches la pistola remachadora debe

poder usase sin interferencia entre cabezas.

Una distancia pequeña entre conector y el borde cargado axialmente puede

producir desgarramiento en las planchas.

La excesiva proximidad entre conectores disminuye el área neta de la sección

transversal, al aumentar el número de conectores por hilera. Con ello se

favorece la falla por tracción en el área neta de los miembros.

Cuando el espaciamiento es muy grande, el peligro reside en que en

miembros comprimidos, se puede producir pandeo local de las planchas entre

conectores o separación por levantamiento de los bordes, cuando la distancia

al borde es excesiva.

92

Tabla 22.

Dimensiones nominales de agujeros.

Diámetro

nominal del perno

db

Dimensiones nominales de los agujeros dh (mm)

mm plg Normales

(Diametros)

Agrandados

(Diametro)

Ranura

Larga

(Ancho x

Largo)

Ranura

Corta (Ancho x

Largo)

13 (1/2) 14,3 15,9 14,3 x

31,8 14,3 x 17,5

16 (5/8) 17,5 20,6 17,5 x

39,7 17,5 x 22,2

19 (3/4) 20,6 23,8 20,6 x

47,6 20,6 x 25,4

22 (7/8) 23,8 27,0 23,8 x

55,6 23,8 x 28,6

25 1 27,0 31,8 27,0 x

33,3 27,0 x 33,3

29 > (1

1/8)

db + 2

mm db + 8 mm

(db +

2mm) x (2,5

x db)

(db + 2mm)

x (db + 9,5mm)

Nota. Adaptada de Fratelli 2003.

Tipos de juntas

Fratelli indica que las uniones empernadas permiten lograr diferentes tipos de juntas:

Juntas solapadas

Juntas a tope

Juntas en doble plano

93

Juntas múltiples

Áreas netas, totales y efectivas

Área total: es la que se obtiene sumando las áreas parciales de cada una de

sus partes componentes, en ausencia de perforaciones.

Área neta: es el área total o área gruesa, menos el área de las ranuras, muescas

y agujeros. Al calcular las áreas netas de los miembros a tracción o corte, el

diámetro de los agujeros da que se adopta en el siguiente análisis según

Fratelli (2003):

da = dh + 2mm = db + 3mm (38)

Donde dh es el diámetro nominal del agujero (ver Tabla 22) y db es el diámetro

nominal del perno, que se obtiene de la tabla#.

Figura 18. Tipos de juntas empernadas. Tomada de Fratelli 2003.

94

Para obtener el área neta, el área que se resta por agujero del área gruesa es

rectangular, e igual al producto da tp donde t es el espesor de la plancha. Cuando hay

una sucesión de agujeros ubicados en forma alternada, el área neta puede obtenerse

mediante una trayectoria:

Recta

En zigzag

En diagonal

Cuando se analiza las trayectorias en zigzag o en diagonal, para cada tramo

inclinado en la sucesión considerada, se debe añadir el termino s2/4g donde (s) es la

distancia del paso y (g) la del gramil. Se elige varias rutas de falla y la menor An será

el área neta crítica. En ningún caso el área neta crítica se tomara mayor al 85% del área

gruesa de la sección transversal del miembro.

An ≤ 0.85A (39)

- Área neta

𝐴𝑛 = 𝐴 – 𝑚 𝑑𝑎 𝑡 + ∑𝑠2

4𝑔

𝑛𝑖=1 𝑡 (40)

Donde:

An= área neta.

A = área total.

m = número de agujeros que contiene la trayectoria analizada.

95

n = número de tramos oblicuos de la trayectoria.

Si el valor de An es muy pequeño se recomienda disminuir la cantidad de

conectores.

- Área neta efectiva (Ae):

Ae = Ct * An (41)

Ct = 1 – (𝑥

𝐿 ) ≤ 0,9 (42)

Donde:

X = excentricidad de la conexión, distancia entre el plano de transferencia de las

cargas y el baricentro de la sección conectada.

L= longitud de la conexión medida en la dirección de la carga

Ct= se encuentra dado según el tipo de conexión (Ct ≤ 1).

Figura 19. Trayectorias potenciales de falla. Tomada de Fratelli 2003.

96

Con base a los valores promedios de X/L correspondientes a diferentes tipos de

conexiones de miembros traccionados empernados, se puede adoptar los siguientes

valores de Ct como Fratelli 2003 indica a continuación.

En perfiles doble T y perfiles T recortados de los anteriores, con relación

𝑏𝑓

𝑑>

2

3 y la conexión se realice en las alas, con tres o más pernos o remaches

por fila en la dirección de la carga :

Ct= 0,9

En perfiles doble T o perfiles T recortados de los anteriores, con relación

𝑏𝑓

𝑑<

2

3 y otros perfiles incluyendo secciones armadas, con tres o más pernos

o remaches por fila en la dirección de la carga:

Ct = 0,85

Para todos los miembros con solo dos conectores por fila paralelo a la carga:

Ct = 0,7

Forma de trabajo de los pernos

Según Fratelli (2003) los pernos estructurales pueden trabajar bajo las siguientes

solicitaciones:

Pernos a tracción axial: al ser colocados, los pernos se solicitan inicialmente a

tracción en su vástago, producida por el ajuste de la tuerca.

97

La tabla 24 indica las fuerzas mínimas de tracción en los pernos.

Nota. Tomada de Fratelli 2003.

Pernos a corte por deslizamiento crítico: cuando en una conexión empernada se

ajustan las tuercas con elevadas fuerzas de apriete, no se produce ningún

desplazamiento relativo entre las placas, las cuales quedan perfectamente

ajustadas.

La resistencia de una conexione a desplazamiento depende de:

- La fuerza de apriete de los pernos.

- La condición de las superficies de contacto.

- Es independiente de los esfuerzos de diseño de los miembros conectados.

Tabla 23.

Fuerzas mínimas a tracción en los pernos.

98

Tabla 24.

Diseño de pernos

Nota. (CR) Rosca incluida en los planos de corte. (SR) Rosca excluida de los planos de corte. Tomada de Fratelli (2003)

Le A 307 Pernos A 325 Pernos A 490

ф db Dist al borde 3 db Ab Aplast.

Aplastamiento Dezliz.

Crit

Aplastamiento Dezliz.

Crit

pulg mm Ciz mm. Cm² (CR) (SR) (CR) (SR)

Sopi mm Piv (kg) Piv (kg) Piv (kg)

1/2 13 22 19 39 1,267 2141 4270 5346 1514 5346 7247 1875

5/8 16 29 22 48 1,979 3344 6669 8351 2365 8351 11320 2929

3/4 19 32 25 57 2,85 4816 9604 12027 3405 12027 16302 4218

7/8 22 38 29 66 3,879 6555 13072 16369 4635 16369 22187 5740

1 25 44 32 75 5,067 8563 17075 21382 6055 21383 29983 7499

1 1/8 29 51 38 87 6,443 10888 21713 27189 7699 27189 36854 9535

1 1/4 32 57 41 96

> 1 1/4 2,5 f 1,75 db 1,25 db

98

99

Pernos a corte por aplastamiento: Cuando los pernos o remaches no transmiten

una ajustada acción de apriete entre las placas, o cuando la fuerza P supera la

resistencia a fricción de la unión, las placas comienzan a deslizar entre sí, y los

vástagos de los conectores entran en contacto con las paredes de las

perforaciones de los miembros solicitados. Son las conexiones tipo

aplastamiento, para las cuales se cumple:

- 𝑃 ≥ 𝑚 𝑘₁ ∑ 𝑇𝑖𝑛𝑖=1 (43)

Donde m es el número de planos de corte y Ti las fuerzas de pretensión en los

conectores de la junta inicialmente, al producirse el desplazamiento gradual de las

planchas, las tensiones son resistidas en parte por la fricción y en parte por corte y

aplastamiento. El área de aplastamiento entre el vástago del conector y las paredes de

la perforación es Ap y se determina según la ecuación 44.

𝐴𝑝 = 𝑑𝑏 ∗ 𝑡 (44)

Figura 21. Pernos en conexiones de deslizamiento crítico

Figura 20. Área de aplastamiento Ap. Tomada de Fratelli 2003.

100

Nota. (CR) rosca incluida en los planos de corte. (SR) rosca excluida de los planos

de corte. * Únicamente para carga estática. ** Para pernos sujetos a régimen de fatiga.

*** Los valores tabulados se reducen un 20% cuando las conexiones tipo aplastamiento

utilizadas tenga una disposición de conectores paralela a la fuerza. (a) Para cada plano

de corte y considerando superficies clase A. Tomada de Fratelli (2003).

Fallas en las uniones con conectores mecánicos

Según Fratelli (2003) el agotamiento de la resistencia de una conexión se puede

producir por:

Falla en los conectores

Falla por tracción

Falla por corte

Falla por aplastamiento

Falla en los miembros conectados

Tabla 25.

Capacidad Resistente en los pernos.

101

Aplastamiento de las planchas

Desgarramiento del material

Falla por tracción en el área gruesa

Falla por tracción en el área neta

Falla por bloque de corte

Capacidad resistente de las uniones con conectores mecánicos

Fratelli (2003) indica que la capacidad resistente de las uniones con conectores

mecánicos depende de la resistencia de las planchas o perfiles conectados, y de los

pernos o remaches usado. Esta capacidad resistente será el menor de los valores que

resulten de analizar los estados límites de deslizamiento crítico y de agotamiento

resistente.

Capacidad resistente de los conectores.

Capacidad de resistencia a tracción de los pernos

La capacidad resistente a tracción en cada uno de los pernos de una conexión se

obtiene:

ф𝑡 𝑅₁ = ф𝐹𝑡 ∗ Ab ≥ Tu (45)

ф= 0,75

Ft es la capacidad teórica a tracción de los conectores (ver Tabla 25) y Ab es al área

nominal de la parte del vástago no roscado. Tu son las cargas de tracción factorizadas

102

que resultan de sumar las cargas de tracción aplicadas, más las debidas al efecto de

palanca, producido por la deformación de las partes conectadas.

Capacidad resistente a corte en deslizamiento critico

La condición de deslizamiento crítico implica que el deslizamiento está impedido,

es decir no puede existir ningún tipo de corrimiento relativo entre las planchas

conectadas, debido a la gran fricción producida por el estricto ajuste de los pernos con

las llaves calibradas:

Según Fratelli (2003) explica que a capacidad resistente en los pernos en conexiones

tipo deslizamiento crítico se verificara para:

El estado límite bajo cargas de servicio

El estado límite en agotamiento resistente

Deslizamiento critico bajo cargas de servicio

En este caso ф= 1 y P= ∑ 𝑃𝑡. Se debe cumplir

∅𝐹𝑣 𝐴𝑏 𝜂 𝑛 ≥ 𝑃

Donde P son las cargas de servicio actuantes en la conexión, η es el número de

pernos y n el número de planos de corte, Fv es el esfuerzo admisible a corte en régimen

de servicio, para los pernos de alta resistencia, que se indica en la última columna de

la Tabla 23. En forma similar para:

𝑃𝑖𝑣 = 𝐹𝑣 𝐴𝑏 (46)

Se obtiene:

103

∅𝑣 𝑃𝑖𝑣 𝜂 𝑛 ≥ 𝑃

Los valores de Piv se indican en la Tabla 23 para pernos de alta resistencia en

deslizamiento crítico.

Deslizamiento critico en agotamiento resistente

La resistencia teórica a deslizamiento critico en agotamiento resistente ф Rstr,

referida a las cargas mayoradas, debe cumplir:

∅𝑣𝑅𝑠𝑡𝑟 ≥ 𝑃𝑢

En agujeros estándares ϕv= 1, y la capacidad resistente nominal resulta

Rst =1,13 μ Tb η (47)

Donde:

n= Número de planos de corte.

η= Número de pernos.

Tb= Tracción mínima del conecto.

μ= Coeficiente de fricción estática.

μ= 0,33 en superficie clase A.

μ= 0,5 en superficie clase B.

μ= 0,4 en superficie clase C.

104

(En general se considera que las superficies son de clase A para ser conservador)

Capacidad resistente a corte por aplastamiento

La capacidad resistente a corte por aplastamiento, para cargas factorizadas, y ∅𝑣=

0,75, se obtiene:

∅𝑣 𝐹𝑣 𝐴𝑏 𝜂 𝑛 ≥ 𝑃𝑢

Donde Fv es la capacidad teórica a corte y Ab es el área nominal del perno, es decir

el área de la sección transversal del vástago no roscado, 𝜂 es el número de pernos de la

conexión y la n el número de planos de corte. Adoptando:

Piv = Fv Ab (48)

Se obtiene: ∅𝑣 𝑃𝑖𝑣 𝜂 𝑛 ≥ 𝑃𝑢

Los valores de Piv se leen en la Tabla 23

Capacidad resistente de las planchas

Capacidad resistente de las planchas por aplastamiento

Fratelli (2003) explica que la capacidad resistente al aplastamiento en los agujeros

de las planchas se debe verificar tanto en las conexiones tipo deslizamiento crítico

como en las de tipo aplastamiento. La capacidad resistente al aplastamiento será ϕp Rn

para ϕp= 0,75.

∅𝑝𝑅𝑛 𝜂 ≥ 𝑃𝑢

Y Rn se obtiene para dos casos diferentes:

105

Caso 1: Cuando Le > 1,5 db o s > 3 db con dos o más pernos en la línea de

acción de la fuerza. Dentro de este caso se deben considerar a su vez dos

condiciones diferentes:

Cuando la deformación alrededor de los pernos sea una consideración de

diseño:

Rn = 1,2Le t Fu ≤ 2,4 db t Fu

Cuando la deformación alrededor de los pernos no sea consideración de

diseño:

Para pernos cercanos al borde: Rn = Le t Fu ≤ 3 db t Fu

Para el resto de los pernos: Rn = (5- 0,5 db) t Fu ≤ 3 db t Fu

Caso 2: Cuando Le < 1,5 db o s < 3 db o para una sola fila de pernos en la

línea de acción de la fuerza. Dentro de este caso se deben considerar también

dos condiciones diferentes:

Para el agujero de un perno o para el agujero más cercano al borde cuando

dos o más pernos están en la línea de fuerza:

Rn = Le t Fu ≤ 2,4 db t Fu

Para los agujeros restantes:

Rn = (s- 0,5db) t Fu ≤ 2, 4 db t Fu

Donde Fu es la Resistencia mínimo de agotamiento en tracción especificada para el

acero de las placas o miembros.

106

Capacidad resistente de las planchas por desgarramiento (Ruptura en corte).

La capacidad resistente a desgarramiento de las planchas a lo largo de un plano de

corte, será igual a ∅𝑣 𝑅𝑛 para ∅𝑣 = 0,75.

∅𝑣 = 𝑅𝑛 ≥ 𝑃𝑢

Rn = 0,6 Fu Anv (49)

Anv es el área neta sometida a corte, donde puede desgarrar al material

Capacidad resistente por cedencia en la sección del área total.

∅𝑁𝑡 = ∅𝑡 𝐹𝑦 𝐴 ≥ 𝑃𝑢 ; ∅𝑡 = 0,9

A = es el área toral de la sección

Capacidad resistente por fractura en la sección del área neta.

Según Fratelli la capacidad resistente a tracción en el área neta se debe verificar para

An ≤ 0,85ª, siendo A el área total del miembro conectado. Cuando se colocan pernos

en todos los elementos del miembro Ct=1 y en este casi el área neta coincide con el

área neta efectiva. Cuando solamente se conectan algunos elementos de un miembro

mediante pernos, resulta Ct ≤ 0,9 y el área efectiva viene dada por:

𝐴𝑒 = 𝐶𝑡 ∗ 𝐴𝑛 (50)

En este caso, para hallar la capacidad resistente a tracción se debe usar el área neta

efectiva:

∅𝑡 𝑁𝑡 = ∅𝑡 𝐹𝑢 𝐴𝑒 ≥ 𝑃𝑢 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 ∅𝑡 = 0,75

107

Capacidad resistente por bloque de corte

La capacidad resistente por bloque de corte en los miembros traccionados (ϕ Rbs)

está determinada por mecanismos que controlan el modo de falla, estos mecanismos

pueden ser:

Cedencia por tracción fracturada por corte: Cuando Fu Ant ≤ 0,6 fu Anv

∅𝑅𝑏𝑠 = ∅ [ 0,6 𝐹𝑢 𝐴𝑛𝑣 + 𝐹𝑦 𝐴𝑡] ≥ 𝑃𝑢 ; ∅ = 0,75

Donde:

Av= Área total sometida a corte.

Anv = Área neta sometida a corte.

𝐴𝑣 = 𝐿′𝑡 (51)

𝐴𝑡 = 𝐿′𝑒 ∗ 𝑡 (52)

𝐴𝑛𝑣 = [𝑙′ − (𝜂 − 0,5)𝑑𝑎]𝑡 (53)

𝐴𝑛𝑡 = [𝐿′𝑒 −𝑑𝑎

2 ]t (54)

Cedencia por corte y fractura por tracción: Cuando Fu Ant ≥ 0,6Fu Anv

∅𝑅𝑏 = ∅[0,6 𝐹𝑦 𝐴𝑣 + 𝐹𝑢 𝐴𝑛𝑡] ≥ 𝑃𝑢 ; ∅ = 0,75 (55)

108

Losacero

Las láminas corrugadas denominadas comúnmente losacero están fabricadas con

acero galvanizado estructural, actúan como un encofrado de acero para entrepisos y

placas, logrando placas livianas y resistentes. La empresa Centrolit afirma que la

losacero facilita y acelera la construcción, permitiendo ahorros en la obra, y según la

empresa LUMETAL, la lámina cumple los siguientes propósitos:

1. Sustituyen al encofrado tradicional de madera

2. Durante la etapa de construcción, la lámina de acero galvanizado forma una

plataforma de trabajo estable y segura para los trabajadores.

3. La losacero elimina el engorroso apuntalamiento, ocupa poco espacio en la obra,

se instala muy rápidamente y conserva la superficie de trabajo ordenada,

permitiendo la continuidad de la obra.

4. Actúa como acero de refuerzo positivo.

5. Una vez fraguado el concreto, la lámina actúa en conjunto con él para resistir el

sobrecalentamiento, debido a que las muecas que presenta la lámina garantizan

la adherencia entre ambos materiales.

Estas laminas están diseñadas para lograr total adherencia acero/concreto, y tal

unión es considerado un sistema de construcción de placas para estructuras metálicas

económico y muy eficiente. La losacero está formada por láminas de acero estructural,

y galvanizado de acuerdo a los parámetros contenidos en la norma ASTM. La

versatilidad de la lámina losacero la hace muy eficiente para la construcción de

viviendas, techos, mezzaninas, oficinas, ampliaciones, puentes y estacionamientos.

109

ETABS 2015

Software de ingeniería utilizado para el análisis y diseño estructural de

edificaciones. ETABS es un programa ideal para el modelado de edificios y naves

industriales, es la perfecta herramienta ingenieril si se desea diseñar una estructura

simple. ETABS posee muchas opciones extras que simplifican el diseño de

edificaciones, gracias a esto se clasifica como un programa muy fácil y sencillo de

utilizar, en el cual también se pueden manejar los más grandes y complejos modelos

de edificios.

ETABS es un programa que se utiliza para el análisis y diseño estructural ofreciendo

modelados en 3D, herramientas de visualización actualizadas, capacidad de análisis

lineal y no lineal a gran velocidad, pos capacidad de diseño sofisticado y completo con

una amplia gama de materiales, además de ofrecer gráficos, informes y dibujos

esquemáticos que permiten comprender de una manera sencilla el diseño y análisis de

resultados.

Con la utilización de este programa, se pueden obtener los resultados de la estructura

modelada en forma filtrada y ordenada de la manera que desee el usuario, posee las

herramientas para facilitar al usuario el diseño libre de cualquier tipo de sección, y

automáticamente ETABS calcula las propiedades de esta. El ETABS 2015 es el más

actualizado hasta el momento, y posee opciones que ayudan a facilitar el análisis de

resultados de cualquier estructura, como lo son, el diseño de conexiones de acero, los

dibujos de planos en formato CAD, la importación de mallas y planos de pisos desde

el programa AutoCAD y la obtención de espectros de diseño sísmico. Entonces, se

puede afirmar que el programa ETABS aporta una interfaz gráfica fácil y completa,

vinculada con poderosas herramientas, ofreciéndole al ingeniero estructural, un

programa de análisis y diseño de edificaciones sin igual en eficiencia y productividad.

110

LuloWinNG – Control de obras

Sistema orientado al manejo y control de obras, especial para compañías e

instituciones dedicadas a las actividades y el control efectivo de los costos. Es un

software avanzado que ofrece soporte para los procesos técnicos y administrativos,

elabora presupuestos, valuaciones, reconsideraciones de precios, mediciones y

memorias descriptivas, además posee la facilidad para el análisis de cómputos métricos

y control de obras en proyectos de construcción.

LuloWin elabora todos los procesos técnicos mencionados, realizando recálculos de

forma automática y considerando variaciones en los parámetros de cada proyecto en

cuanto a administración, utilidad, financiamiento, variaciones de precios, equipos y

salarios de mano de obra. El programa también posee la capacidad particular de que

los costos de insumos son actualizables, o pueden modificarse bien sea en la base de

datos maestra o en algún archivo en específico, sin afectar otros presupuestos de la

misma base de datos.

El programa es muy sencillo y versátil de operar, sostiene una interfaz nueva y

mejorada con exportación de reportes a los programas Microsoft Excel y Word. Posee

un complejo conjunto de reportes generales que permiten recuperar la información

detallada del estado de una obra, además de una amplia gama de formatos

personalizados con logotipos de organismos públicos y privados.

Glosario de Términos

Acero estructural: Acero utilizado específicamente para estructuras, obtenido

generalmente por adición de aleantes en horno eléctrico. (Norma COVENIN

2004-98 p. 4).

111

Barlovento: Lado desde donde sopla el viento. (Norma COVENIN 2004-98

p.4).

Carga de Diseño: Carga que se aplica sobre la estructura, obtenida con base

en una combinación de cargas apropiada. (Reglamento NSR-10 p. F-4).

Carga Permanente: Carga debida al peso propio de la estructura y de todos

los materiales o elementos constructivos soportados por ella en forma

permanente, tales como pavimentos, rellenos, paredes, frisos, instalaciones

fijas, etc. (Norma COVENIN 2004-98 p. 7).

Carga Variable: Carga debida a la ocupación o uso habitual de la estructura,

incluyendo los tabiques removibles y las grúas móviles. (Norma COVENIN

2004-98 p. 7).

Cedencia: Primera tensión aplicada a un material para la cual ocurre un

incremento en las deformaciones sin un aumento de las tensiones. (Norma

COVENIN 2004-98 p. 8).

Columna: Miembro estructural cuya función primaria es la de resistir cargas

axiales. (Reglamento NSR-10 p. F-6).

Concreto: Mezcla homogénea de cemento hidráulico con agregados finos,

agregados gruesos y agua. (Norma COVENIN 2004-98 p. 9).

Concreto Armado: Concreto que contiene el refuerzo metálico adecuado,

diseñado bajo la hipótesis que los dos componentes actuarán conjuntamente

para resistir las solicitaciones a las cuales está sometido. (Norma COVENIN

2004-98 p. 9).

112

Conexión a Momento: Conexión que transmite momentos flectores entre los

miembros conectados. (Reglamento NSR-10 p. F-6).

Construcción: Aplícase al montaje y fijación en la obra de los componentes

fabricados para formar una estructura completa. (Norma COVENIN 2004-98

p. 11).

Diseño Estructural: Dimensionamiento definitivo de las secciones de los

elementos estructurales y detalles del refuerzo. (Reglamento NSR-10 p. F-

7).

Ductilidad: Capacidad de deformación una vez rebasado el límite de

proporcionalidad. (Norma COVENIN 2004-98 p. 11).

Elasticidad: Propiedad que tienen los cuerpos de volver a su forma original

después de sufrir una deformación al aplicárseles una fuerza. (Reglamento

NSR-10 p. F-8).

Encofrado: Estructura temporal o molde para dar forma y soportar el concreto

mientras ésta fragua. (Norma COVENIN 2004-98 p. 11).

Entrepiso: Parte de una edificación entre un piso y el siguiente. (Norma

COVENIN 2004-98 p. 11).

Espectro: Representación gráfica de los valores máximos de una serie

cronológica en función de sus frecuencias o periodos. (Norma COVENIN

2004-98 p. 12).

Fatiga: Fenómeno de fractura que resulta de la aplicación repetida de

tensiones. (Reglamento NSR-10 p. F-9).

113

Filete: Transición curva y angosta entre dos superficies que se cortan por lo

general perpendicularmente. (Norma COVENIN 2004-98 p. 13).

Miembros de alma: Los miembros con orientación diagonal, vertical que

forman los triángulos entre la cuerda superior y la cuerda inferior, de una

armadura. (Reglamento NSR-10 p. F-10).

Momento Torsor: En diseño sismo resistente, suma de los parres torsores en

cada nivel por encima del nivel considerado, incluyendo éste, más el

momento torsor normal a ese nivel, producto de la fuerza cortante del nivel

multiplicada por su excentricidad con respecto al centro de rigidez de ese

nivel. (Norma COVENIN 2004-98 p. 13).

Nivel de Diseño: Conjunto de prescripciones normativas asociadas a un

determinado factor de ductilidad, que se aplica en el diseño de los miembros

del sistema resistente a sismos. (Norma COVENIN 2004-98 p. 17).

Placa base: Placa de acero encargada de transmitir y distribuir la carga de un

soporte al material de cimentación. (Reglamento NSR-10 p. F-11).

Sotavento: Lado opuesto a donde sopla el viento. (Norma COVENIN 2004-

98 p. 22).

Viga: Miembro estructural en el cual puede considerarse que las tensiones

internas en cualquier sección transversal dan como resultante la fuera

cortante y un momento flector. (Norma COVENIN 2004-98 p. 24).

114

Bases legales

En este apartado se mencionan las distintas leyes, normas o reglamentos necesarios

para el sustento legal del desarrollo de este proyecto, justificando y sustentando de esta

manera el estudio realizado. Estas son:

Norma COVENIN 1618:1998 “Estructuras de acero para edificaciones. Método de

los estados límites.”

En esta norma se establecen los criterios y requisitos mínimos para la realización de

cualquier trabajo, la fabricación, el montaje, la construcción, inspección y el

mantenimiento de las estructuras de acero y estructuras mixtas. Así como también

especifica la normativa para el cálculo de los miembros, componentes, juntas y

conexiones que se proyectan en el territorio nacional.

Capítulo 5: Materiales

Capítulo 7: Áreas totales, netas y efectivas

Capítulo 8: Estados límites

Capítulo 10: Acciones e hipótesis de solicitaciones

Capítulo 14: Miembros a tracción

Capítulo 15: Miembros a compresión

Capítulo 21: Conexiones juntas y medios de unión

Capítulo 22: Pernos y partes roscadas

115

Capítulo 3: Soldaduras

Norma COVENIN 1756:2001 “Edificaciones Sismo resistentes.”

La siguiente norma establece los criterios de análisis y diseño para las edificaciones

situadas en zonas donde pueden ocurrir movimientos sísmicos. El objetivo principal de

esta norma es proteger vidas, y aminorar los daños esperados en las edificaciones.

Capítulo 4: Zonificación Sísmica

Capítulo 5: Formas espectrales tipificadas de los terrenos de fundación

Capítulo 6: Clasificación de las estructuras según el uso, nivel de diseño, tipo

y regularidad estructural

Capítulo 7: Coeficiente sísmico y espectro de diseño

Capítulo 8: Requisitos generales, criterios de análisis y verificación de la

seguridad

Capítulo 9: Métodos de análisis

Capítulo 10: Control de los desplazamientos

Norma COVENIN 2002:1988 “Criterios y acciones mínimas para el proyecto de

edificaciones.”

Esta norma explica los criterios y requisitos mínimos de las acciones a considerar

en el proyecto, fabricación, montaje y construcción de las edificaciones que se ejecuten

en el territorio nacional. La norma se aplica tanto a edificaciones nuevas como a la

modificación, ampliación, refuerzo y demolición de las edificaciones existentes.

116

Capítulo 4: Acciones permanentes

Capítulo 5: Acciones variables

Capítulo 6: Acciones accidentales, reológicas, térmicas y extraordinarias

Norma COVENIN 2003:1989 “Acciones del viento sobre las construcciones.”

La siguiente norma establece los requisitos mínimos para la determinación de las

acciones del viento sobre las construcciones que se ejecuten en el territorio nacional.

Las disposiciones dadas en la norma son aplicables al cálculo de las acciones de viento

sobre los sistemas estructurales, los componentes estructurales individuales y los

materiales que constituyen los cerramientos de la construcción.

Capítulo 4: Clasificación de las construcciones según el uso y las

características de respuesta ante la acción del viento

Capítulo 5: Parámetros que dependen de la zonificación eólica

Capítulo 6: Determinación de las acciones por efectos del viento

Norma COVENIN 1755:82 “Código de prácticas normalizadas para la fabricación

y construcción de estructuras de acero.”

Esta norma explica y describe las prácticas normalizadas comúnmente aceptadas

para la fabricación y construcción en acero estructural. En la ausencia de otras

instrucciones en los documentos del contrato, las practicas técnicas aquí descritas

regirán la fabricación y construcción de las edificaciones de acero estructural en el

territorio nacional.

117

Capítulo III

Marco Metodológico

En el presente capítulo se establece la metodología utilizada para la realización del

presente trabajo, se señala el tipo de investigación, así como la estrategia para el diseño

de la misma, la unidad de investigación y las técnicas e instrumentos de recolección de

datos implementados para cumplir los objetivos planteados, se describe el

procedimiento realizado y finalmente se indica cómo se realizó el análisis de la

información recolectada y su presentación.

Tipo de Investigación

Pardinas (2012, p. 68) sostiene que, “la investigación aplicada tiene como objeto el

estudio de un problema destinado a la acción”. Por otro lado Sabino (2007, p. 42),

afirma que “Puede ser que nuestro estudio se encamine directamente a conocer los

aspectos que nos permitirán resolver mejor una situación concreta, a la búsqueda de los

elementos necesarios para poder actuar luego en un sentido especifico”. Esta

investigación tiene como finalidad dar una solución concreta y directa a la posibilidad

de sustituir el sistema estructural planteado en concreto, por uno en acero. Este tipo de

investigación tiene objetivos utilitarios y se aborda para su aplicación inmediata, no

solo para el desarrollo teórico de hipótesis, por lo tanto el presente estudio se clasifica

como investigación aplicada.

El tipo de investigación dependerá del objetivo del trabajo y de las hipótesis que se

formulen en este, considerando que según Bernal (2010, p. 113) “Una de las funciones

principales de la investigación descriptiva es la capacidad para seleccionar las

características fundamentales del objeto de estudio y su descripción”.

118

Tomando en cuenta lo que expone el autor, este Trabajo de Grado se considera

también de tipo descriptivo, debido a que su principal objetivo es trabajar sobre una

realidad específica, que es evaluar la estructura previamente planteada y así presentar

una propuesta de estructura con materiales de construcción diferentes al original que

permita optimizar costos y tiempos de ejecución. Es importante destacar que para la

realización de este trabajo se requiere elaborar una amplia y detallada descripción de

la propuesta, los materiales, las partes de la estructura y el programa utilizado para

modelar la propuesta.

Diseño de Investigación

La investigación no experimental cuantitativa según Sampieri, Collado y Lucio

(2010, p. 149),

Podría definirse como la investigación que se realiza sin manipular

deliberadamente variables. Es decir, se trata de estudios donde no

hacemos variar en forma intencional las variables independientes para

ver su efecto sobre otras variables. Lo que hacemos en la investigación

no experimental es observar fenómenos tal como se dan en su contexto

natural, para después analizarlos.

Para la elaboración de este trabajo se emplea un diseño de investigación no

experimental, debido a que el estudio se basa en crear un diseño estructural partiendo

del uso de variadas bibliografías fundamentales para el diseño de estructuras de acero,

en este no existe manipulación alguna de variables y todos los datos necesarios para la

elaboración del Trabajo de Grado están ya dados del proyecto inicial.

Unidad de Análisis de Investigación

La unidad de análisis de investigación no es más que el objeto o elemento sobre el

cual recae la investigación; en el presente estudio es la Plaza de la Virgen ubicada en

la catedral de Ciudad Guayana, que se encuentra en el urbanismo Juan Pablo II de

119

Puerto Ordaz, en el Estado Bolívar. Básicamente, el estudio se enfocó en plantear una

estructura de acero más liviana, económica y cuya ejecución se materialice en un menor

intervalo de tiempo.

Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos

Al momento de realizar la recolección y análisis de datos es muy importante plantear

las técnicas e instrumentos a emplear durante la investigación. El modo de obtener los

datos puede ser muy variado, pero definir estas técnicas se hace necesario para lograr

determinar los instrumentos que permitan obtener los datos de la realidad. Sabino

(2007, p. 99) explica que, “Un instrumento de recolección de datos es, en principio,

cualquier recurso de que se vale el investigador para acercarse a los fenómenos y

extraer de ellos información”. El instrumento de recolección de datos se utiliza para

obtener, registrar y almacenar información, sintetizando los datos necesarios para

alcanzar los objetivos planteados.

Técnicas de recolección de datos

Análisis Documental

Se podría decir que esta técnica consiste en una revisión de la literatura relacionada

con el objeto de estudio; para Sampieri, Collado y Lucio, “Consiste en detectar,

consultar y obtener la bibliografía y otros materiales útiles para los propósitos del

estudio, de los cuales se extrae y recopila información relevante y necesaria para el

problema de investigación” (2010, p. 53). Los mismos exponen que “se requiere

seleccionar solo la información más importantes y recientes, y que además estén

directamente vinculadas con el planteamiento del problema de la investigación” (2010,

p. 53). Toda investigación implica acudir a este tipo de fuentes, los cuales suministran

información básica para la realización del Trabajo de Grado y está contenida en libros,

periódicos y otros materiales documentales como trabajos de grado, enciclopedias,

120

planos estructurales y normas que presentan las indicaciones, reglas y premisas que

rigen el diseño estructural y los estudios económicos del mismo.

Instrumento

Ficha técnica

Luego de identificar y consultar las fuentes seleccionadas, se procede a elaborar

fichas técnicas que “garanticen el registro de la información de interés para el estudio.

Estas deben registrar correctamente las citas de pie de página y guardar la fidelidad al

escrito del autor, así como la identificación de la página a la que corresponde el texto”

(Méndez 2008, p. 274). Las fichas técnicas se utilizan para recaudar, ordenar y

sintetizar la información contenida en las fuentes seleccionadas, las cuales contemplan

información detallada y necesaria para la elaboración del Trabajo de Grado.

Procedimiento de la Investigación

Antes de iniciar la investigación se procedió a conocer más a fondo sobre la

Fundación Catedral, su visión, misión y el proyecto por el cual comienza esta

agrupación. Luego de comprender todos los inconvenientes que llevaron a pausar la

obra de la catedral de Ciudad Guayana, la fundación explica una de las ideas que posee

para agilizar la construcción de una parte de la catedral, que lleva como nombre Plaza

de la Virgen, pero para su realización se necesita un análisis previo y por lo tanto se

lleva a cabo la ejecución de este Trabajo de Grado.

La primera parte de la investigación es básicamente la revisión bibliográfica, que

abarca la lectura de los planos estructurales de la Plaza de la Virgen de la catedral de

Ciudad Guayana. Se hicieron varias visitas a la obra para aclarar las dudas sobre la

estructura y para hacer las mediciones y anotaciones necesarias sobre el terreno, para

así poseer todos los datos de la plaza y comenzar la elaboración del sistema propuesto

121

en acero estructural. Luego de obtener todos los datos de interés, plantear los objetivos

del trabajo y trazar el plan de la investigación a realizar, se hace posible generar una

alternativa que pueda solucionar el problema existente, utilizando perfiles de acero,

que según lo investigado durante la revisión bibliográfica, puede llegar a ser una

alternativa viable en el sentido técnico y económico.

Posteriormente se inicia el estudio la propuesta, investigar las características de los

perfiles existentes y diseñar la geometría de la plaza, utilizando el programa de diseño

estructural ETABS, insertando todos los datos obtenidos previamente y agregando a su

vez todas las acciones que someten a la estructura. Para lograr una acertada selección

de perfiles, se inserta en el programa una lista de elementos existentes en el mercado,

de los cuales los perfiles IPE y HEB fueron preseleccionados por el software, debido a

las grandes dimensiones que posee la estructura de la plaza.

Definida la geometría de la plaza y los materiales que conforman la estructura, el

siguiente paso consistió en realizar el análisis económico de la propuesta en acero y

otro de la estructura planteada en concreto, utilizando el programa LULOWIN, para

así poder comparar ambas estructuras, la cual no solo abarca el costo de los materiales

y mano de obra, sino también el tiempo de ejecución de la construcción de cada una de

ellas, para así poder dar una respuesta concisa sobre la factibilidad de sustituir el

material de construcción.

Presentación y análisis de los resultados

Cada uno de los resultados obtenidos se analiza y se presenta a través de tablas, y

figuras, la geometría, sección transversal de la estructura y los perfiles seleccionados

para la propuesta se presentan a través de figuras, los resultados del análisis estructural

se exponen en tablas al igual que la comparación del análisis económico de los sistemas

estructurales, para que se observe fácilmente el resultado alcanzado.

122

Capítulo IV

Análisis y Resultados

En este capítulo se presenta todo el análisis y diseño del sistema estructural de la

Plaza de la Virgen de la catedral de Ciudad Guayana, requerido en acero, así como

también se muestra la comparación económica realizada. Se muestra el cálculo de los

miembros y conexiones metálicas principales de la estructura, detallando los métodos

utilizados con sus respectivas ecuaciones, así como también los valores y resultados

obtenidos.

Estructura de la catedral

El terreno que corresponde a la construcción de la catedral cuenta con un área

regular total de 22.300 𝑚2, donde 15.013 𝑚2 serán el área total para construcción en

la cual se incluyen el edificio de la catedral, la casa parroquial, la curia diocesana, el

auditorio y la residencia episcopal.

La Plaza de la Virgen posee un área aproximada de 3270 𝑚2, en los inicio del

proyecto esta plaza se ubicaba en la cota -4,20 del terreno en cuestión. Actualmente,

luego de los cambios que sufre el proyecto de la catedral a causa de las irregularidades

del terreno, se construye una capilla para el uso diario bajo el edificio de la catedral,

por lo tanto también se plantea elevar la Plaza de la Virgen hasta la cota -15,00,

obteniendo unos 4.05 metros de altura con respecto al suelo. En el anexo A se muestran

imágenes recientes de la construcción y los avances realizados en la obra general de la

catedral.

123

Este cambio se considera de gran beneficio para el proyecto, no solo por su atractivo

visual, sino también porque este espacio bajo la plaza será aprovechado como

estacionamiento para la capilla y para la catedral. Sobre la plaza se plantea agregar un

monumento a la Virgen, el cual genera una carga importante a tomar en cuenta a la

hora de realizar el análisis.

Al diseño de la plaza se le debe agregar un agujero como el que se muestra en la

figura 22, alrededor de este se agregará un brocal de 60 cm que ayudaría a la contención

de un sello de agua, lo cual también se considera una carga apreciable para los cálculos

de la estructura. En el diseño se plantea que la Plaza de la Virgen posea un campanario

de gran altura, que se extendería desde la cota -4,20, por lo tanto se agrega este agujero

a la plaza elevada, para que a través de él pase la estructura del campanario.

Figura 22. Vista en planta del agujero de la plaza en el cual se ubicará el campanario

de la catedral.

124

El campanario que se muestra en la figura 23 está actualmente sujeto a

modificaciones de dimensiones, ya que la Fundación Catedral aspira que este

campanario sea un mirador de gran importancia turística para Ciudad Guayana.

Además es necesario acotar que esta edificación no ejerce ninguna carga sobre la

estructura de la Plaza de la Virgen, solamente se tomaría en cuenta el sello de agua que

posee alrededor como se explicó anteriormente.

Dimensiones de la Plaza de la Virgen:

Figura 23. Diseño del campanario de la catedral, planteado a inicios del proyecto.

125

- Dimensiones en planta del espacio rectangular de construcción: 47,71 m x

81,74 m - Planta irregular

- Pórticos en la dirección longitudinal: 9 pórticos, aproximadamente con 6 metros

de separación entre ellos

- Pórticos en la longitud transversal: 17 pórticos, aproximadamente con 5 metros

de separación entre ellos

- Altura: Desde su fundación hasta el piso de la catedral, la plaza posee una altura

de 4,05 metros

En la figura 24 se presenta una vista en planta de la Plaza de la Virgen, en la cual se

observan los pórticos de carga orientados en la dirección “X”, según los ejes del A3 al

F’.

Figura 24. Vista en planta de la plaza elevada de la catedral de Ciudad Guayana.

126

Sistema de fundaciones de la catedral.

La estructura de la catedral se encuentra apoyada sobre cabezales de pilotes,

soportados por un estrato de suelo denso o duro, clasificado como forma espectral S2

y factor de corrección 𝜙 = 0,9.

Descripción de la estructura en concreto

La estructura de la Plaza de la Virgen planteada en concreto, consiste en un sistema

compuesto de vigas y columnas prefabricadas y pretensadas, con vigas T invertida de

carga tipo 1, 2 y 3 con una sección de 100x60, vigas antisísmicas de tipo 1 y 2 con

sección 30x50 cm y se utiliza una losa tipo TT 25x250 para una sobrecarga de 500

kg/m2. El concreto empleado para dichos elementos y el acero que se utiliza para el

pretensado es de alta resistencia, para que pueda soportar las tensiones a las que será

sometido.

Material.

Los perfiles prefabricados pretensados son los elementos propuestos para la

construcción de la Plaza de la Virgen; los miembros que conforman la estructura

incluyen columnas, vigas antisísmicas, vigas de carga y losas TT 25 para el entrepiso

de la plaza.

Descripción de la estructura de acero

La estructura propuesta de la Plaza de la Virgen consiste en un sistema compuesto

de columnas y vigas prefabricadas en acero estructural, perfiles de 80 cm, prefabricados

con láminas de 19 mm, el cual se utiliza como viga principal de carga, y se encuentra

apoyado sobre las columnas principales y unas columnas auxiliares a causa de la

elevada luz que posee la estructura. También se considera el uso de losacero con un

127

vaciado de concreto de 20 cm de espesor, para la sustitución de la losa supuesta en

concreto.

Material.

El material propuesto para la construcción es acero estructural del tipo ASTM – A36

para todos los miembros que conforman la estructura de la plaza, para materializar las

conexiones se utilizan planchas de acero A36 unidos con pernos de A325. Además se

propone el uso de losacero para la plaza, con su respectiva losa en concreto.

Secciones.

Todos los elementos que componen la estructura propuesta para la plaza son perfiles

IPE y HEB, la preferencia por estas secciones se debe a que los elementos principales

solicitados están sujetos a grandes efectos de flexo-compresión, su uso se hace ideal

debido a su gran capacidad de resistir fuerzas axiales y momentos flectores. Los

elementos especificados para ser utilizados como viga de transferencia son perfiles

IPE750x196 y para las correas se emplean perfiles IPE550. Las columnas establecidas

para el diseño de la Plaza de la Virgen son perfiles de tipo HEB340 y las columnas

traseras que están apoyadas sobre las ménsulas, son perfiles de tipo HEB300. La viga

principal de carga posee 80 cm de altura y para su fabricación se utilizaron láminas de

19 mm de espesor; para efectos prácticos de esta investigación, a este perfil se le

denomina V800.

En el diseño estructural en acero también se plantean unos perfiles HEB 240, que

serán utilizados como columnas auxiliares en la estructura de la plaza, se ubicaran en

una fila entre los pórticos 6 y 7, y otra fila entre los pórtico 3 y 4, a los largo de los

pórticos A2 hasta F, como se pueden apreciar en el anexo E. Estas columnas no están

previstas en el proyecto original de la Fundación Catedral y además es importante para

la realización de esta investigación descartar cualquier cambio en la arquitectura de la

estructura original, pero se considera la inclusión de estos perfiles debido a las grandes

128

luces que posee la arquitectura del proyecto, y sin ellas la estructura planteada en acero

estructural no cumple con los parámetros de resistencia, deformaciones máximas y

estabilidad exigidos. Es importante destacar que las columnas auxiliares se ubican

simplemente apoyadas al suelo, con su placa base directamente sobre el piso, y gracias

a esto no se requiere la implementación de nuevas zapatas.

Determinación de las acciones sobre la estructura

Acciones Permanentes

Las cargas permanentes corresponden únicamente al peso propio del sistema (PP),

el peso del espejo de agua y el peso de la estatua de la virgen que cada uno se denomina

como sobrecarga permanente (SCP). La determinación de las acciones permanentes se

hará en función de los valores establecidos en la norma COVENIN 2002:88, para el

peso de los materiales y elementos de construcción.

Estimación de peso del espejo de agua.

Para este apartado se calculó el área de una circunferencia de 7 m de diámetro que

corresponden al área del espejo de agua, pero debido a que este posea forma irregular

se le debe quitar el área del hueco donde está ubicado el campanario, dicho hueco

resulta ser la suma de dos medias circunferencias y como el espejo de agua llega hasta

¾ de la circunferencia, a esta área se le debe restar ¼ de su área.

Área de 3.5m de radio = 3,52 x π = 12,25π m.

¼ de Área de 3.5m de radio = 3,0625π m.

Área del hueco = 2π + 3,125π = 5,125π m.

Área del espejo de agua = 12,25π – 5,125π – 3,0625π = 12,76 m2.

129

El espejo de agua tendrá una altura de 50 cm y estará retenida por un brocal de

concreto de 60 cm de alto por lo tanto:

Peso del espejo de agua= (12,25π – 5,125π – 3,0625π) m2 x 0,5 m x 1000 Kg/m3=

6380 Kg.

Carga por metro cuadrado = P del espejo de agua / Área = 6380 kg / 12,76 m2 =

500 kg/m2.

Estimación del peso de la estatua de la Virgen.

Debido a que se desconoce la forma y la magnitud de la estructura de dicha estatua

se debe estimar su peso, para ello consideraremos un peso aproximado de 134500 Kg

y será ubicada entre los pórticos B, C´, 15 y 16 por lo tanto tenemos que:

Peso de la Estatua = 134500 Kg aproximadamente *

Área en la que será ubicada = 10 m x 6,23 m =62,3 m2

Carga por metro Cuadrado = Peso de la estatua /Área = 134500 Kg / 62,3 m2 =2159

Kg / m2

*La estimación de este peso se obtuvo sacando el volumen de una pirámide de 3.5

m de altura y estimando que una estatua es elaborada con concreto liviano para fines

estéticos y prácticos.

Acciones Variables.

Las acciones variables que actúan sobre la estructura se determinan en función del

tipo de uso de la edificación dado por la norma COVENIN 2002:88. El uso de la

estructura corresponde a lugares de concentración pública y un ambiente de áreas

130

públicas, de la tabla 5.1 de la norma COVENIN 2002:88, obtenemos que la carga sobre

la estructura es:

CV = 500 Kg/m2

Las acciones variables que actúan en las cercanías del campanario son menores a

las del resto de la plaza, ya que esta zona no contemplara la misma cantidad de personas

debido a que en sus alrededores se ubica un espejo de agua y solo podrá tener acceso

el personal de mantenimiento, por lo tanto tomando en cuenta estas condiciones y según

la norma COVENIN 2002:88 obtenemos que la carga en esta sección de la estructura

es de:

CV= 100 Kg/m2

Acciones del viento

La determinación de la acción del viento se hace en función de los parámetros

establecidos en la norma COVENIN 2003:86, la misma se determina tanto en el plano

de la estructura como en el plano transversal a la misma como se muestra a

continuación:

Para edificaciones de un solo nivel Tipo I las acciones del viento vienen dada por la

siguiente expresión:

P (z ó h) = q (z ó h) x Gh x Cp - q (z ó h) x Gcpi (Tabla 16)

Parámetros para la determinación de las acciones del viento sobre la estructura:

Clasificación según el uso: Grupo A.

Factor de importancia Eólica: α = 1,15. (Tabla 11)

131

Clasificación según las características de respuesta: Tipo I.

Velocidad básica del viento por región: 77 Km/h. (Tabla 13)

Tipo de exposición “C”.

Presión Dinámica (q):

Zg = 270 m.

β = 7.

Altura media (z ó h) = 4.05 m.

Kz = Kh = 0.8 (Tabla 12)

qz =qh =26,45 kg/m2 (Ec.5,Ec.8)

Factor de respuesta ante ráfagas (Gh):

K = 0,005 (Tabla 14)

δh = 0,18624 (Ec.12)

Gh = 1,329 (Ec.11)

Gcpi = ± 0,25

Coeficiente de empuje y succión Cp = -0,7

Por lo tanto las acciones del viento a tomar en cuenta seria:

132

Pz = (26, 45 kg/m2 * 1,329 * -0, 7) – (26,45 Kg/m2 * ±0, 25) = 33,6 Kg/m2

El valor obtenido de las acciones de viento se puede denominar como mínima, esto

se debe a su baja capacidad y a la ubicación de la Plaza de la Virgen, por lo tanto este

valor es considerado como despreciable en la definición de carga de la estructura en el

modelo matemático planteado. Debido a esto, para dicho modelo se tomarán en cuenta

las sobrecargas permanentes (SCP), tanto de la estatua de la Virgen como las del espejo

de agua, las cargas variables (CV) y las acciones sísmicas.

Acciones del sismo

Para caracterizar los efectos sísmicos sobre la estructura, se utilizó un espectro de

respuesta inelástico, el cual se determinó basándose en los parámetros establecidos en

la norma COVENIN 1756:01 “Edificaciones Sismo resistente”. En la tabla 26 se

muestran los parámetros sísmicos seleccionados para la determinación del espectro de

diseño.

Definidos los valores del periodo y su respectiva aceleración espectral es posible

graficar el espectro de respuesta elástico (Naranja), y el espectro de diseño (azul), como

se muestra en la figura 25.

Debido a que el análisis sísmico se realiza con la ayuda del software ETABS 2015,

los valores de la aceleración (Ad) Vs periodo (T), se anexaron a un archivo de texto,

para que pueda ser leído por el software, dicho espectro fue definidos “Acciones

Sísmicas”, el cual engloba las aceleraciones que excitaron la masa en las direcciones

X, Y y Z.

133

Tabla 26.

Parámetros sísmicos para la determinación del espectro de diseño.

ESPECTRO DE DISEÑO NORMA COVENIN 1756:2001

Parámetros Sísmicos Valor Fuente

Zona sísmica 3 Fig.4.

Aceleración Horizontal (Ao) 0,2 Tabla 4.

Forma Espectral S2 Tabla 5.

Factor de corrección (φ´) 0,8 Tabla 5.

Factor de importancia (α) 1,3 Tabla 6.

Grupo A Norma

Nivel de diseño ND2 Tabla 7.

Estructura de Acero Tipo I Norma

Factor de reducción ( R ) 6 Tabla 8.

T* 0,7 Tabla 9.

B 2,6 Tabla 9.

P 1 Tabla 9.

T+ 0,4 Tabla 10.

Figura 25. Espectro de respuesta elástico e inelástico. Ad vs T (seg).

134

Figura 27. Ventana de definición de la fuente de masa del análisis en el software

ETABS

Figura 26. Ventana de definición del espectro de respuesta inelástica en el software

ETABS

135

Combinaciones y casos de carga

Luego de definir las acciones sobre la estructura, para proceder al análisis y

posteriormente al diseño es de gran importancia definir los casos de carga a analizar y

como combinarlos para obtener las solicitaciones más desfavorables para el diseño.

Los casos de carga estáticos a analizar serán el peso propio de la estructura (PP), la

sobre carga permanente que generan el espejo de agua (SCP espejo de agua), la estatua

de la virgen (SCP estatua de la virgen) que estarán contempladas en SCP en el software

y la carga variable del techo de la estructura (CV) que en este caso es la plaza como

tal. El efecto sísmico se presenta bajo 2 casos de carga que actúan tanto en dirección X

(SX) como en Y (SY). La siguiente figura muestra los distintos casos de carga definidos

en el software.

Figura 28. Ventana de Definición del caso espectral en X en el Software ETABS 2015.

136

Figura 29. Ventana de Definición del caso espectral en Y en el Software ETABS

2015.

137

La resistencia requerida de la estructura, así como la de sus miembros y conexiones,

se determinara a partir de la combinación crítica propia de las cargas mayoradas. El

efecto más crítico puede ocurrir cuando una o más de las cargas no estén actuando. Las

combinaciones de carga para obtener las solicitaciones últimas sobre la estructura serán

las contempladas en la norma COVENIN 1618:98, complementadas con las

especificaciones de la norma americana ASCE 7-10. (Ver Tabla 27).

Análisis y diseño de la estructura de acero

Una vez definida lo que es la geometría de la estructura, la dimensión de cada

elemento, el material a utilizar, la estimación de las acciones a soportar y sus diferentes

combinaciones de carga es posible realizar el análisis y diseño estructural por medio

del software ETABS, obteniendo como resultado el valor de las solicitaciones internas

sobre la estructura para los distintos casos de carga y el valor de la relación

demanda/capacidad de los elementos que la componen. La figura 31 presenta una

imagen del modelo matemático de la estructura en acero de la Plaza de la Virgen

planteada en el software.

Figura 30. Ventana de Definición de los casos de Carga a ser analizados en ETABS

2015.

138

Tabla 27.

Combinaciones de carga.

Nombre Combinaciones de cargas Ref. Ec.

COMB1 1,4(PP+SCP estatua de la virgen+ SCP espejo de agua) 13

COMB2 1,2(PP+SCP estatua de la virgen+ SCP espejo de agua)+ 1,6 CV 14

COMB3 0,9(PP+SCP estatua de la virgen+ SCP espejo de agua)+ SX 19

COMB4 0,9(PP+SCP estatua de la virgen+ SCP espejo de agua) - SX 19

COMB5 0,9 (PP+SCP estatua de la virgen+ SCP espejo de agua)+ SY 19

COMB6 0,9(PP+SCP estatua de la virgen+ SCP espejo de agua) - SY 19

COMB7 1,2(PP+SCP estatua de la virgen+ SCP espejo de agua) + SX 18

COMB8 1,2(PP+SCP estatua de la virgen+ SCP espejo de agua) - SX 18

COMB9 1,2(PP+SCP estatua de la virgen+ SCP espejo de agua) + SY 18

COMB10 1,2(PP+SCP estatua de la virgen+ SCP espejo de agua) - SY 18

Figura 31. Modelo de la estructura de acero propuesta en el Software ETABS 2015.

(a) Vista general del modelo. En (b) Vista 3D del modelo. En (c) Vista del pórtico c

del modelo en ETABS.

139

Deformaciones

Se verifica que la estructura cumpla con las exigencias del estado límite de servicio

comparando los valores de las deformaciones generadas por la carga de servicio

(SCP + CV), y los desplazamientos laterales generados por la acción del sismo con los

valores máximos permitidos según las normas COVENIN 1618:98 y 1756:01

respectivamente. Las deformaciones del sistema para ambos caso se aprecian en las

figuras 32 y 33.

Desplazamiento máximo por carga de servicio = 0,407 cm.

Dmax= L/800 = 82/800 = 0.1025 m. = 10.25 cm (Dmaxpor carga < Dmax).

Desplazamiento máximo por efectos del sismo = 0.063 cm.

Se verifica que el desplazamiento lateral máximo no exceda los valores máximos

especificados en la tabla 10.1 de la norma COVENIN 1756:2001.

Figura 32. Deformación de las estructuras por carga de servicio (SCP+CV).

140

𝛿𝑖

(ℎ𝑖−h₋₁) =

0.063

400 = 1.575x10-4 = 0.0001575 < 0.0012 (valor máximo).

Resultados de diseño

Una vez realizado el análisis, se procede a iniciar el diseño con el uso del software

ETABS 2015, que se basa en la norma americana AISC 360-10, obteniendo los valores

de la relación demanda/capacidad en cada uno de los elementos que conforman el

sistema. Las figuras 34, 35 y 36 muestran la relación demanda/capacidad de los

elementos que conforman la estructura.

En la tabla 28 se muestra el resumen de la relación demanda/capacidad de los

elementos que componen la estructura.

Figura 33. Desplazamiento de la estructura por efectos del sismo.

141

Tabla 28.

Relación demanda/capacidad de los elementos estructurales más solicitados.

Miembro Relación demanda /capacidad

Columnas Principales 0.563

Columnas Traseras 0.341

Columnas Auxiliares 0.489

Vigas Principales 0.895

Vigas de Transmisión 0.688

Correas 0.211

Figura 34. Relación demanda/capacidad de las correas de la estructura.

142

Figura 35. Relación demanda/capacidad de las Vigas principales y Vigas de

transmisión.

Figura 36. Relación demanda/capacidad en (a) pórtico que muestra las columnas tanto

auxiliares, principales y traseras. En (b) estructura completa.

143

Conexiones

Una vez obtenido el diseño de los miembros que conforman la estructura por medio

del software ETABS se procede a diseñar los diferentes tipos de conexiones que unirán

a dichos miembros, basándose en las normas AISC 360-10. Debido a que la estructura

posee más de 3300 conexiones se presentaran los 3 tipos de conexiones principales que

engloban a toda la estructura.

Conexión 1

Datos generales:

- Nombre de la Conexión: Conexión Viga-Viga.

- Perfiles: Perfil V800, Perfil IPE 550.

- Norma de diseño: AISC 360-10.

- Tipo de conexión: Conexión a corte por aplastamiento, con pernos excluidos

del plano de la rosca.

Figura 37. Conexión 1 en (a) dimensiones y elementos de la conexión y en (b)

conexión en 3D por medio del software ETABS.

144

Tabla 29.

Propiedades geométricas de los materiales.

Tabla 30.

Propiedades de los materiales.

Propiedades de los materiales

Características Unidad Cantidad Características Unidad Cantidad Características Unidad Cantidad

Perfil IPE550 Perfil V800 Placa - Alma

Fy Kg/cm² 2530 Fy Kg/cm² 2530 Fy Kg/cm² 2530

Fu Kg/cm² 4080 Fu Kg/cm² 4080 Fu Kg/cm² 4080

A36 A36 A36

Propiedades geométricas

Caract Unidad Cantidad Caract Unidad Cantidad Caract. Unidad Cantidad Caract Unidad Cantidad

Perfil IPE550 Perfil V800 Placa - Alma Pernos A-325

tw cm 1,11 tw cm 1,9 S cm 7,5 Db cm 3,2

d cm 55 d cm 80 Lev cm 3,75 Soldadura

tf cm 1,72 tf cm 1,9 Leh cm 3,75 Tamaño, D(1/16) cm 10

bf cm 21 bf cm 25 Dh cm 3,334

t cm 0,94

144

145

Cálculos de la conexión

Los siguientes procedimientos estarán presentados en Kips – in.

Demanda de corte

Ru = √Pu 2 + Vu

2 Ru = √0,96454 2 + 8,512 Ru = 8,56 kips

1. Resistencia al corte de los pernos:

Ab =πdb

2

4 Ab =

3,141,262

4 Ab = 1,25 in2

ϕRn = ϕFnvAbn ϕRn = 0,75 ∗ 54 ∗ 1,25 ∗ 5 ϕRn = 252,31 kips

D/C =Ru

ϕRn D/C =

8,56

252,31 D/C = 0,03393

Donde:

D/C: Relación demanda/capacidad

Ab: Área del perno

ϕRn: Ruptura de corte del perno

La relación demanda/capacidad (D/C) es menor a 1 por lo tanto CUMPLE

146

Referencia (J3-1 de la Norma AISC 30-10)

2. Resistencia de Aplastamiento de Perforaciones de Pernos:

lc1 = Lev −dh

2 lc1 = 1,48 −

1,31

2 lc1 = 0,82013 in

lc = s − dh lc = 295,276 − 131,25 lc = 164,026 cm

ϕrn1 = ϕ(1.2lc1tFu)

ϕrn1 = 0,75(1.2 ∗ 0,82013 ∗ 0,36929 ∗ 58,03) ϕrn1 = 15,82 kips

ϕrn2 = ϕ(1.2lctFu)

ϕrn2 = 0,75(1.2 ∗ 1,64 ∗ 0,36929 ∗ 58,03) ϕrn2 = 31,64 kips

ϕrn(max) = ϕ(2.4dtFu)

ϕrn(max) = 0,75(2.4 ∗ 1,26 ∗ 0,36929 ∗ 58,03) ϕrn(max) = 48,6 kips

ϕRn = min(ϕrn1, ϕrnmax) + (n − 1)min(ϕrn2, ϕrnmax)

147

ϕRn = min(15,82,48,6) + (5 − 1)min(31,64,48,6) ϕRn = 142,36 kips

D/C =Ru

ϕRn D/C =

8,56

142,36 D/C = 0,06013

La relación demanda/capacidad es menor a 1 por lo tanto CUMPLE.

Referencia (J3-6.a de la Norma AISC 360-10)

3. Fluencia en corte de la placa

𝐴𝑔𝑣 = 𝐿 ∗ 𝑡 𝐴𝑔𝑣 = 15,98 ∗ 0,36929 𝐴𝑔𝑣 = 5,9 𝑖𝑛2

𝜙𝑅𝑛 = 𝜙0.6𝐹𝑦𝐴𝑔 𝜙𝑅𝑛 = 1 ∗ 0.6 ∗ 35,99 ∗ 5,9 𝜙𝑅𝑛 = 127,45 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝐷/𝐶 =𝑅𝑢

𝜙𝑅𝑛 𝐷/𝐶 =

8,56

127,45 𝐷/𝐶 = 0,06717

La relación demanda/capacidad (D/C) es menor a 1 por lo tanto CUMPLE

Referencia (J4-3 de la Norma AISC 360-10).

148

4. Ruptura por corte de la placa.

𝐴𝑛𝑣 = [𝐿 − 𝑛(𝑑ℎ +1

16)]𝑡

𝐴𝑛𝑣 = [15,98 − 5(1,31

+1

16)]0,36929

𝐴𝑛𝑣 = 3,36 𝑖𝑛2

𝜙𝑅𝑛 = 𝜙0.6𝐹𝑢𝐴𝑛𝑣 𝜙𝑅𝑛 = 0,75 ∗ 0.6 ∗ 58,03 ∗ 3,36 𝜙𝑅𝑛 = 87,85 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝐷/𝐶 =𝑅𝑢

𝜙𝑅𝑛 𝐷/𝐶 =

8,56

87,85 𝐷/𝐶 = 0,09745

La Relación demanda/capacidad (D/C) es menor a 1 por lo tanto CUMPLE.|

Referencia (J4-4 de la Norma AISC 360-10).

5. Ruptura por bloque de corte de la placa.

𝐴𝑛𝑡 = [𝐿𝑒ℎ −1

2(𝑑ℎ +

1

16)]𝑡

𝐴𝑛𝑡 = [1,48 −1

2(1,31

+1

16)]0,36929

𝐴𝑛𝑡 = 0,29133 𝑖𝑛2

𝐴𝑛𝑣 = [{(𝑛 − 1)𝑠 + 𝐿𝑒𝑣} − {2𝑛 − 1

2(𝑑ℎ +

1

16)}]𝑡

149

𝐴𝑛𝑣 = [[(5 − 1)2,95 + 1,48] − [2 ∗ 5 − 1

2(1,31

+1

16)]]0,36929

𝐴𝑛𝑣 = 2,62 𝑖𝑛2

𝐴𝑔𝑣 = [(𝑛 − 1)𝑠 + 𝐿𝑒𝑣]𝑡 𝐴𝑔𝑣 = [(5 − 1)2,95

+ 1,48]0,36929 𝐴𝑔𝑣 = 4,91 𝑖𝑛2

𝜙𝑅𝑛 = 𝜙[𝐹𝑢𝐴𝑛𝑡 + 𝑚𝑖𝑛(0.6𝐹𝑦𝐴𝑔𝑣, 0.6𝐹𝑢𝐴𝑛𝑣)]

𝜙𝑅𝑛 = 0,75[58,03 ∗ 0,29133 + 𝑚𝑖𝑛(0.6 ∗ 35,99 ∗ 4,91,0.6 ∗ 58,03 ∗ 2,62)]

𝜙𝑅𝑛 = 81,15 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝐷/𝐶 =𝑅𝑢

𝜙𝑅𝑛 𝐷/𝐶 =

8,56

81,15 𝐷/𝐶 = 0,1055

La relación demanda/capacidad (D/C) da menor a 1 por lo tanto CUMPLE

Referencia (J4-5 de la Norma AISC 360-10).

6. Resistencia de la soldadura.

150

𝜙𝑅𝑛 =𝜙0.6𝐹𝑒𝑥𝑥𝐷 ∗ 2𝐿

22.627

𝜙𝑅𝑛 =0,75 ∗ 0.6 ∗ 70 ∗ 3,94 ∗ 2 ∗ 15,98

22.627 𝜙𝑅𝑛 = 175,22 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝐷/𝐶 =𝑅𝑢

𝜙𝑅𝑛 𝐷/𝐶 =

8,56

175,22 𝐷/𝐶 = 0,04886

La relación demanda/capacidad (D/C) da menor a 1 por lo tanto CUMPLE.

Referencia (J2-3 de la Norma AISC 360-10).

7. Rodamiento del perno en el alma de la viga.

𝑙𝑐1 = 𝐿𝑒𝑣 −𝑑ℎ

2 𝑙𝑐1 = 1,48 −

1,31

2 𝑙𝑐1 = 0,82013 𝑖𝑛

𝑙𝑐 = 𝑠 − 𝑑ℎ 𝑙𝑐 = 295,276 − 131,25 𝑙𝑐 = 164,026 𝑐𝑚

𝜙𝑟𝑛1 = 𝜙(1.2𝑙𝑐1𝑡𝐹𝑢)

𝜙𝑟𝑛1 = 0,75(1.2 ∗ 0,82013 ∗ 0,43701 ∗ 58,03) 𝜙𝑟𝑛1 = 18,72 𝑘𝑖𝑝𝑠

151

𝜙𝑟𝑛2 = 𝜙(1.2𝑙𝑐𝑡𝐹𝑢)

𝜙𝑟𝑛2 = 0,75(1.2 ∗ 1,64 ∗ 0,43701 ∗ 58,03) 𝜙𝑟𝑛2 = 37,44 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝜙𝑟𝑛(𝑚𝑎𝑥) = 𝜙(2.4𝑑𝑡𝐹𝑢)

𝜙𝑟𝑛(𝑚𝑎𝑥) = 0,75(2.4 ∗ 1,26 ∗ 0,43701 ∗ 58,03) 𝜙𝑟𝑛(𝑚𝑎𝑥) = 57,51 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝜙𝑅𝑛 = 𝑚𝑖𝑛(𝜙𝑟𝑛1, 𝜙𝑟𝑛𝑚𝑎𝑥) + (𝑛 − 1)𝑚𝑖𝑛(𝜙𝑟𝑛2, 𝜙𝑟𝑛𝑚𝑎𝑥)

𝜙𝑅𝑛 = 𝑚𝑖𝑛(18,72,57,51) + (5 − 1)𝑚𝑖𝑛(37,44,57,51) 𝜙𝑅𝑛 = 168,47 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝐷/𝐶 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 =𝑅𝑢

𝜙𝑅𝑛 𝐷/𝐶 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 =

8,56

168,47 𝐷/𝐶 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 = 0,05082

La relación demanda/capacidad (D/C) es menor a 1 por lo tanto CUMPLE.

Referencia (J3-6a de la Norma AISC 360-10).

8. Ruptura por bloque de corte del alma de la viga.

𝐿𝑒ℎ = 𝑎 − 𝑔 𝐿𝑒ℎ = 2,46 − 0,49213 𝐿𝑒ℎ = 1,97 𝑖𝑛

152

𝐴𝑛𝑡 = [𝐿𝑒ℎ −1

2(𝑑ℎ +

1

16)]𝑡

𝐴𝑛𝑡 = [1,97 −1

2(1,31

+1

16)]0,43701

𝐴𝑛𝑡 = 0,55981 𝑖𝑛2

𝐴𝑛𝑣 = [{(𝑛 − 1)𝑠 + 𝐿𝑒𝑣} − {2𝑛 − 1

2(𝑑ℎ +

1

16)}]𝑡

𝐴𝑛𝑣 = [[(5 − 1)2,95 + 1,48] − [2 ∗ 5 − 1

2(1,31

+1

16)]]0,43701

𝐴𝑛𝑣 = 3,1 𝑖𝑛2

𝐴𝑔𝑣 = [(𝑛 − 1)𝑠 + 𝐿𝑒𝑣]𝑡 𝐴𝑔𝑣 = [(5 − 1)2,95

+ 1,48]0,43701 𝐴𝑔𝑣 = 5,81 𝑖𝑛2

𝜙𝑅𝑛 = 𝜙[𝐹𝑢𝐴𝑛𝑡 + 𝑚𝑖𝑛(0.6𝐹𝑦𝐴𝑔𝑣, 0.6𝐹𝑢𝐴𝑛𝑣)]

𝜙𝑅𝑛 = 0,75[58,03 ∗ 0,55981 + 𝑚𝑖𝑛(0.6 ∗ 35,99 ∗ 5,81,0.6 ∗ 58,03 ∗ 3,1)]

𝜙𝑅𝑛 = 105,39 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝐷/𝐶 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 =𝑅𝑢

𝜙𝑅𝑛 𝐷/𝐶 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 =

8,56

105,39 𝐷/𝐶 𝑅𝑎𝑡𝑖𝑜 = 0,08123

153

La demanda/capacidad (D/C) es menor que 1 por lo tanto CUMPLE.

Referencia (J4-5 de la Norma AISC 360-10).

Tabla 31.

Resumen de resultados.

Tipo de verificación

del diseño D/C resultado

Referencia a

la norma

AISC 360-10

1 Resistencia al corte de

los pernos 0,034 CUMPLE J3-1

2

Resistencia de

Aplastamiento de

Perforaciones de

Pernos

0,06 CUMPLE J3-6a

3 Fluencia en corte de la

placa 0,067 CUMPLE J4-3

4 Ruptura por corte de la

placa 0,097 CUMPLE J4-4

5 Ruptura por bloque de

corte de la placa 0,105 CUMPLE J4-5

6 Resistencia de la

soldadura. 0,049 CUMPLE J2-3

7 Rodamiento del perno

en el alma de la viga. 0,051 CUMPLE J3-6a

8

Ruptura por bloque de

corte del alma de la

viga.

0,081 CUMPLE J4-5

Conexión 2

Datos generales

154

- Nombre de la conexión: Conexión Viga-Columna

- Perfiles: Perfil HEB 300, Perfil V800.

- Normas de diseño: AISC 360-10.

- Tipo de conexión: Conexión a corte por aplastamiento, con pernos excluidos

del plano de la rosca.

Cálculos de la conexión

Los siguientes procedimientos estarán presentados en Kips – in.

Demanda de corte:

𝑅𝑢 = √𝑃𝑢 2 + 𝑉𝑢

2 𝑅𝑢 = √9,53 2 + 52,472 𝑅𝑢 = 53,33 𝑘𝑖𝑝𝑠

Figura 38. Conexión 2 en (a) elementos y dimensiones de la conexión, en (b)

conexión en 3d por medio del programa ETABS.

155

Tabla 32.

Propiedades geométricas de los materiales.

Tabla 33.

Propiedades de los materiales.

Propiedades de los materiales

Características Unidad Cantidad Características Unidad Cantidad Características Unidad Cantidad

Perfil HEB 300 Perfil V800 Placa - Alma

Fy Kg/cm² 2530 Fy Kg/cm² 2530 Fy Kg/cm² 2530

Fu Kg/cm² 4080 Fu Kg/cm² 4080 Fu Kg/cm² 4080

A36 A36 A36

Propiedades geométricas

Caract Unidad Cantidad Caract Unidad Cantidad Caract. Unidad Cantidad Caract Unidad Cantidad

Perfil HEB 300 Perfil V800 Placa - Alma Pernos A-325

tw cm 1.1 tw cm 1,9 S cm 7,5 Db cm 3,2

d cm 30 d cm 80 Lev cm 3,75 Soldadura

tf cm 1,9 tf cm 1,9 Leh cm 3,75 Tamaño, D(1/16) cm 10

bf cm 30 bf cm 25 Dh cm 3,334

t cm 1.25

155

156

1. Resistencia a la flexión de la viga

𝑏 = 𝑏𝑓 − 𝑡𝑤 𝑏 = 9,84 − 0,74803 𝑏 = 9,09 𝑖𝑛

ℎ = 𝑑 − 2𝑡𝑓 ℎ = 31,5 − 2 ∗ 0,74803 ℎ = 30 𝑖𝑛

𝑆𝑥𝑥 =𝑏𝑓𝑑2

6−

𝑏ℎ3

6𝑑 𝑆𝑥𝑥 =

9,84 ∗ 31,52

6−

9,09 ∗ 303

6 ∗ 31,5 𝑆𝑥𝑥 = 327,92 𝑖𝑛3

𝜙𝑀𝑛 = 𝜙𝐹𝑢𝑆𝑥 𝜙𝑀𝑛 = 0,9 ∗ 58,03 ∗ 327,92 𝜙𝑀𝑛 = 17126,9 𝑘𝑖𝑝 − 𝑖𝑛

𝐷/𝐶 =𝑀𝑢

𝜙𝑀𝑛 𝐷/𝐶 =

816,5

17126,9 𝐷/𝐶 = 0,04767

La demanda/capacidad (D/C) es menor a 1 por lo tanto CUMPLE.

Referencia (F13-1 en la Norma AISC 360-1).

2. Esfuerzo del grupo de pernos

Se calcula la fuerza que se lleva por perno.

𝑟𝑢 =√𝑃𝑢

2 + 𝑉𝑢2

𝑛

𝑟𝑢 =√9,53 2 + 52,472

8 𝑟𝑢 = 6,67 𝑘𝑖𝑝𝑠

157

𝑙𝑐1 = 𝐿𝑒𝑣 −𝑑ℎ

2 𝑙𝑐1 = 1,48 −

1,31

2 𝑙𝑐1 = 0,82013 𝑖𝑛

𝑙𝑐 = 𝑠 − 𝑑ℎ 𝑙𝑐 = 2,95 − 1,31 𝑙𝑐 = 1,64 𝑖𝑛

𝜙𝑟𝑛1 = 𝑚𝑖𝑛(𝜙1.2𝑙𝑐1𝑡𝐹𝑢, 𝜙1.2𝑙𝑐𝑡𝐹𝑢)

𝜙𝑟𝑛1 = 𝑚𝑖𝑛(0,75 ∗ 1.2 ∗ 0,82013 ∗ 0,49213 ∗ 58,03,0,75 ∗ 1.2 ∗ 1,64

∗ 0,49213 ∗ 58,03)

𝜙𝑟𝑛1 = 21,08 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝜙𝑟𝑛1 = 𝜙2.4𝑑𝑡𝐹𝑢

𝜙𝑟𝑛1 = 0,75 ∗ 2.4 ∗ 1,26 ∗ 0,49213 ∗ 58,03 𝜙𝑅𝑛 = 64,76 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝑚𝑖𝑛(𝜙1.2𝑙𝑐1𝑡𝐹𝑢 , 𝜙1.2𝑙𝑐𝑡𝐹𝑢) ≤ 𝜙2.4𝑑𝑡𝐹𝑢

𝜙𝑟𝑛1 = 21,08 𝑘𝑖𝑝𝑠

Se calcula la resistencia al corte por perno.

158

𝐴𝑏 =𝜋𝑑2

4 𝐴𝑏 =

3,14 ∗ 1,262

4 𝐴𝑏 = 1,25 𝑖𝑛2

𝜙𝑟𝑛2 = 𝜙𝐹𝑛𝑣𝐴𝑏 𝜙𝑟𝑛2 = 0,75 ∗ 54 ∗ 1,25 𝜙𝑟𝑛2 = 50,46 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝜙𝑟𝑛1 𝑒𝑠 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝜙𝑅𝑛2

Controla por resistencia al corte.

𝐷/𝐶 =𝑟𝑢

𝑚𝑖𝑛(𝜙𝑟𝑛1,𝜙𝑟𝑛2)

𝐷/𝐶 =6,67

𝑚𝑖𝑛(21,08; 50,46) 𝐷/𝐶 = 0,31624

La demanda/capacidad es menor a 1 por lo tanto CUMPLE.

Referencia (pág. 7 – 18 Manual AISC).

3. Fluencia por corte en la placa

𝐴𝑔𝑣 = 𝐿 ∗ 𝑡 𝐴𝑔𝑣 = 30 ∗ 0,49213 𝐴𝑔𝑣 = 14,76 𝑖𝑛2

159

𝜙𝑅𝑛 = 𝜙0.6𝐹𝑦𝐴𝑔 𝜙𝑅𝑛 = 1 ∗ 0.6 ∗ 35,99

∗ 14,76 𝜙𝑅𝑛 = 318,77 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝐷/𝐶 =𝑅𝑢

𝜙𝑅𝑛 𝐷/𝐶 =

53,33

318,77 𝐷/𝐶 = 0,1673

La demanda/capacidad es menor a 1 por lo tanto CUMPLE.

Referencia (J4-3 de la Norma AISC 360-10)

4. Ruptura por corte en la placa

𝐴𝑛𝑣 = [𝐿 − 𝑛(𝑑ℎ +1

16)]𝑡

𝐴𝑛𝑣 = [30 − 8(1,31

+1

16)]0,49213

𝐴𝑛𝑣 = 9,35 𝑖𝑛2

𝜙𝑅𝑛 = 𝜙0.6𝐹𝑢𝐴𝑛𝑣 𝜙𝑅𝑛 = 0,75 ∗ 0.6 ∗ 58,03

∗ 9,35 𝜙𝑅𝑛 = 244,18 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝐷/𝐶 =𝑅𝑢

𝜙𝑅𝑛 𝐷/𝐶 =

53,33

244,18 𝐷/𝐶 = 0,2184

La demanda/capacidad (D/C) es menor a 1 por lo tanto CUMPLE.

Referencia (J4-4 de la Norma AISC 360-10)

160

5. Resistencia a ruptura por bloque de corte en la placa

Ant = [Leh −1

2(dh +

1

16)]t

Ant = [1,48 −1

2(1,31

+1

16)]0,49213

Ant = 0,38823 in2

Anv = [{(n − 1)s + Lev} − {2n − 1

2(dh +

1

16)}]t

Anv = [[(8 − 1)2,95 + 1,48] − [2 ∗ 8 − 1

2(1,31 +

1

16)]]0,49213 Anv = 5,82 in2

Agv = [(n − 1)s + Lev]t Agv = [(8 − 1)2,95

+ 1,48]0,49213 Agv = 10,9 in2

ϕRn = ϕ[FuAnt + min(0.6FyAgv, 0.6FuAnv)]

ϕRn = 0,75[58,03 ∗ 0,38823 + min(0.6 ∗ 35,99 ∗ 10,9,0.6 ∗ 58,03 ∗ 5,82)]

ϕRn = 168,97 kips

D/C =Ru

ϕRn D/C =

53,33

168,97 D/C = 0,31561

161

La relación demanda/capacidad es menor a 1 por lo tanto CUMPLE

Referencia (J4-5 de la Norma AISC360-10).

6. Resistencia de la soldadura

𝜙𝑅𝑛 =𝜙0.6𝐹𝑒𝑥𝑥𝐷 ∗ 2𝐿

22.627

𝜙𝑅𝑛 =0,75 ∗ 0.6 ∗ 70 ∗ 3,94 ∗ 2 ∗ 30

22.627 𝜙𝑅𝑛 = 328,85 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝐷/𝐶 =𝑅𝑢

𝜙𝑅𝑛 𝐷/𝐶 =

53,33

328,85 𝐷/𝐶 = 0,16217

La demanda/capacidad es menor a 1 por lo tanto CUMPLE.

Referencia (J2-3 de la Norma AISC 360-10).

7. Resistencia de la soldadura en el ala traccionada

𝑅𝑢 =𝑀𝑢

𝑑 𝑅𝑢 =

816,5

31,5 𝑅𝑢 = 25,92 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝜙𝑅𝑛 =𝜙0.6𝐹𝐸𝑋𝑋𝐷𝑏𝑓1.5

22.627

162

𝜙𝑅𝑛 =0,75 ∗ 0.6 ∗ 70 ∗ 3,94 ∗ 9,84 ∗ 1.5

22.627 𝜙𝑅𝑛 = 80,92 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝐷/𝐶 =𝑅𝑢

𝜙𝑅𝑛 𝐷/𝐶 =

25,92

80,92 𝐷/𝐶 = 0,32037

La demanda/capacidad es menor a 1 por lo tanto CUMPLE.

Referencia (J2-3 de la Norma AISC 360-10)

8. Ruptura por corte en el alma de la columna

𝑡𝑚𝑖𝑛 =𝐹𝐸𝑋𝑋𝐷

22.62𝐹𝑢 𝑡𝑚𝑖𝑛 =

70 ∗ 3,94

22.62 ∗ 58,03 𝑡𝑚𝑖𝑛 = 0,20995

𝐷/𝐶 =𝑡𝑚𝑖𝑛

𝑡𝑤 𝐷/𝐶 =

0,20995

0,43307 𝐷/𝐶 = 0,48479

La demanda/capacidad es menor a 1 por lo tanto CUMPLE.

Referencia (Ecuación 9-2 del Manual AISC).

163

Tabla 34.

Resumen de resultados.

Tipo de verificación

del diseño D/C resultado

Referencia a la

norma AISC

360-10

1 Resistencia a la flexión

de la viga 0,048 CUMPLE F13-1

2 Esfuerzo del grupo de

pernos 0,316 CUMPLE

Pg. 7-18 manual

AISC

3 Fluencia por corte en la

placa 0,167 CUMPLE J4-3

4 Ruptura por corteen la

placa 0,218 CUMPLE J4-4

5 Resistencia a ruptura

por bloque de corte en

la placa

0,316 CUMPLE J4-5

6 Resistencia de la

soldadura 0,162 CUMPLE J2-3

7 Resistencia de la

soldadura en el ala

traccionada

0,32 CUMPLE J2-3

8 Ruptura por corte en el

alma de la columna 0,485 CUMPLE Manual Eq 9-2

Conexión 3

Datos generales

- Nombre de la conexión: Placa Base de la Columna

- Perfiles: Perfil HEB 340.

- Normas de diseño: AISC 360-10.

164

- Tipo de conexión: Conexión a momento, con 4 pernos de cabeza hexagonal

de D= 1pulg

Cálculos de la conexión

Los siguientes procedimientos estarán presentados en Kips – in.

Cálculos de diseño de placa base para los momentos combinados y la compresión:

Diseño = LRFD

Combinación de carga = COMB2 (Tabla 27)

Pu = −144,96168 kips, Mu = 0,86484 kip − in

Figura 39. Conexión 3, en (a) vista de los elementos y la placa base, en (b) vista en

3d de la conexión por medio del programa ETABS.

165

Tabla 35.

Propiedades de los materiales

Propiedades de los materiales

Características Unidad Cantidad Características Unidad Cantidad

HEB 340 Placa Base

Fy Kg/cm² 2530 Fy Kg/cm² 2530

Fu Kg/cm² 4080 Fu Kg/cm² 4080

A36 A36

Tabla 36.

Propiedades geométricas de los materiales

Propiedades geométricas

Características Unidad Cantidad Características Unidad Cantidad Características Unidad Cantidad

HEB 340 Pernos ASTM F1554 Grado 36 Pedestal

tw cm 1,2 Db cm 2,5 W cm 65,88

d cm 34 Placa Base B cm 60,8

tf cm 2,15 W cm 55.88 Fc Kg/cm2 250

bf cm 30 H cm 50.8

165

166

Área de la placa base:

𝑁 = 𝑀𝑎𝑥[𝑁𝑚𝑖𝑛, (𝑑 + 2𝑥3 𝑖𝑛), [𝑑 + 2(𝐿𝑒ℎ + 𝑐)]]

𝑁 = 𝑀𝑎𝑥[9,84, (13,39 + 2𝑥3 𝑖𝑛), [13,39 + 2(2,46 + 1,48)]] 𝑁 = 22 𝑖𝑛

𝐵 = 𝑀𝑎𝑥[𝐵𝑚𝑖𝑛, (𝑏𝑓 + 2𝑥3 𝑖𝑛), {𝑏𝑓 + 2(𝐿𝑒𝑣 + 𝑐)}]

𝐵 = 𝑀𝑎𝑥[9,84, (11,81 + 2𝑥3 𝑖𝑛), [11,81 + 2(2,46 + 1,48)]] 𝐵 = 20 𝑖𝑛

𝑆1 = 𝑁 − 2𝐿𝑒ℎ 𝑆1 = 22 − 2(2,46) 𝑆1 = 17,08 𝑖𝑛

𝑆2 = 𝐵 − 2𝐿𝑒𝑣 𝑆2 = 20 − 2(2,46) 𝑆2 = 15,08 𝑖𝑛

𝐷𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑒 (𝐵 𝑖𝑛𝑐ℎ 𝑥 𝑁 𝑖𝑛𝑐ℎ) = 20 𝑥 22

𝐴1 = 𝐵 ∗ 𝑁 𝐴1 = 20 ∗ 22 𝐴1 = 440 𝑖𝑛2

𝐴2 = (𝐵 + 2𝑎)(𝑁 + 2𝑏) 𝐴2 = (20 + 2 ∗ 1,97)(22 + 2

∗ 1,97) 𝐴2 = 620,85 𝑖𝑛2

Calculamos e y ecrit

167

𝑒 =𝑀𝑢

𝑃𝑢 𝑒 =

0,86484

144,96 𝑒 = 0,00597 𝑖𝑛

𝑓𝑝(𝑚𝑎𝑥) = 𝜙0.85𝑓𝑐′𝑀𝑖𝑛(2, √𝐴2

𝐴1)

𝑓𝑝(𝑚𝑎𝑥) = 0,65 ∗ 0.85 ∗ 3,56𝑀𝑖𝑛(2, √620,85

440) 𝑓𝑝(𝑚𝑎𝑥) = 2,33 𝑘𝑠𝑖

𝑞𝑚𝑎𝑥 = 𝑓𝑝(𝑚𝑎𝑥)𝐵 𝑞𝑚𝑎𝑥 = 2,33 ∗ 20 𝑞𝑚𝑎𝑥 = 46,67 𝑘𝑖𝑝𝑠

𝑖𝑛

𝑒𝑐𝑟𝑖𝑡 =𝑁

2−

𝑃𝑢

2𝑞𝑚𝑎𝑥 𝑒𝑐𝑟𝑖𝑡 =

22

2−

144,96

2 ∗ 46,67 𝑒𝑐𝑟𝑖𝑡 = 9,45 𝑖𝑛

e es menor que ecrit por lo tanto se diseña con el menor de los momentos

1. Resistencia del concreto:

𝑌 = 𝑁 − 2𝑒 𝑌 = 22 − 2 ∗ 0,00597 𝑌 = 21,99 𝑖𝑛

𝑞 =𝑃𝑢

𝑌 𝑞 =

144,96

21,99 𝑞 = 6,59

𝑘𝑖𝑝𝑠

𝑖𝑛

168

𝑞 𝑖𝑠 𝑙𝑒𝑠𝑠 𝑡ℎ𝑎𝑛𝑞𝑚𝑎𝑥

𝐷/𝐶 = 𝑞

𝑞𝑚𝑎𝑥 𝐷/𝐶 =

6,59

46,67 𝐷/𝐶 = 0,14125

La demanda/capacidad es menor a 1 por lo tanto CUMPLE.

2. Espesor de la placa base

𝑚 =𝑁 − 0.95𝑑

2 𝑚 =

22 − 0.95(13,39)

2 𝑚 = 4,64 𝑖𝑛

𝑛 =𝐵 − 0.8𝑏𝑓

2 𝑛 =

20 − 0.8(11,81)

2 𝑛 = 5,28 𝑖𝑛

𝑓𝑝 =𝑃𝑢

𝐵 ∗ 𝑌 𝑓𝑝 =

144,96

20 ∗ 21,99 𝑓𝑝 = 0,32964 𝑘𝑠𝑖

Y es mayor que Max (m, n) por lo tanto:

𝑡𝑝1(𝑚𝑖𝑛) = 1.5𝑚𝑎𝑥(𝑚, 𝑛)√𝑓𝑝

𝐹𝑦

169

𝑡𝑝1(𝑚𝑖𝑛) = 1.5𝑚𝑎𝑥(4,64,5,28)√0,32964

35,99 𝑡𝑝1(𝑚𝑖𝑛) = 0,75739 𝑖𝑛

𝐷/𝐶 =𝑡𝑝(𝑚𝑖𝑛)

𝑡 𝐷/𝐶 =

0,75739

0,98425 𝐷/𝐶 = 0,76951

La demanda/capacidad es menor que 1 por lo tanto CUMPLE.

El espesor requerido de la placa base es de 0,75739 in = 1,92 cm.

Ventajas y desventajas de los sistemas constructivos

La ingeniería estructural moderna tiende a progresar hacia estructuras más

económicas mediante la utilización de métodos de diseño y de materiales de mayor

resistencia gradualmente mejorados. Estos factores generan reducción en las

dimensiones de las secciones transversales y una consecuente disminución del peso.

Según Idalberto Águila, perteneciente al Instituto de Desarrollo Experimental de la

Construcción, es posible alcanzar ahorros significativos mediante la sustitución del

material de construcción a utilizar, junto con los actuales métodos de diseño que

permiten una estimación bastante precisa de la resistencia de los elementos.

Es importante resaltar en la presente investigación las ventajas, desventajas,

características arquitectónicas y funcionales del sistema constructivo propuesto en

acero, frente al anteriormente planteado en concreto pretensado; ya que este Trabajo

de Grado puede ser utilizado como base para la comparación de sistemas constructivos

con los materiales presentados.

170

Tabla 37.

Ventajas, desventajas, características arquitectónicas y funcionales de los sistemas constructivos

Concreto Pretensado Acero Estructural

Ventajas

Buen comportamiento bajo las cargas de

servicio gracias al control de agrietamiento y

deflexión que posee.

Neutralización de las cargas permanentes.

Elementos eficientes y esbeltos, utilizando

menos material que otros procesos

constructivos.

Elementos comerciales.

Resisten a la corrosión.

Baja desviación en este tipo de elementos

Capaces de resistir grandes efectos de flexo-

compresión, fuerzas axiales y momentos

flectores.

Gran facilidad para unir diversos miembros

por medio de varios tipos de conectores como

lo son, las soldaduras, los tornillos y

remaches.

Rapidez de montaje

Elementos comerciales

Gran capacidad de ensamblaje y en gran

cantidad de tamaños y formas.

Posible reutilización después de desmontar

una estructura

Desventajas

Requiere una mayor inversión inicial.

El diseño de estos elementos estructurales es

más complejo y especializado, incluyendo las

juntas y conexiones.

Requiere una cuidadosa supervisión en todas

sus etapas de la construcción.

Requiere de acero de alta resistencia.

Susceptibles al pandeo. Es decir mientras

más esbelto sean los miembros a compresión,

mayor es el peligro de pandeo.

La mayoría de los aceros son susceptibles a

la corrosión, al estar expuestos al agua y al

aire, por consiguiente debe pintarse

periódicamente

Propagan fácilmente el calor

170

171

Presupuestos y Análisis de costos

Presupuesto de la construcción del sistema resistente de la Plaza de la

Virgen en concreto pretensado.

El siguiente presupuesto fue elaborado por la empresa Pretensados Venezolanos,

C.A., mejor conocida en el país como PREVENCA, y fue utilizado para fines prácticos

con el objetivo de realizar la comparación de costos con el presupuesto elaborado en

acero. El proyecto estructural contempla la construcción de la superestructura

totalmente planteada con elementos prefabricados y pretensados, para un

estacionamiento y plaza, adaptándose a las condiciones que explica la fundación.

El trabajo especificado en el presupuesto se refiere a la ejecución de una estructura

para un área total de 3180 m2, el cual contiene 16 partidas correspondientes al diseño,

fabricación y transporte de todos los elementos prefabricados. El presupuesto descrito

se encuentra en el anexo F del presente Trabajo de Grado.

Es importante destacar que el presupuesto anexado es una estimación de lo que sería

el proyecto definitivo, además de que los precios expuestos quedan sujetos a las

posibles variaciones de costos en el mercado.

Presupuesto de la construcción del sistema resistente de la Plaza de la

Virgen planteado en acero estructural.

El presupuesto realizado en acero contiene 11 partidas que contemplan el

suministro, transporte y colocación de los perfiles, tornillería y planchas seleccionadas

para la ejecución de la estructura planteada en acero, siendo este material, el

componente principal de la estructura propuesta estudiada en el presente Trabajo de

Grado. Es de suma importancia el desarrollo del presupuesto debido a que, este se

utiliza como base fundamental para la determinación de la factibilidad económica de

172

la modificación del material para la construcción de la Plaza de la Virgen de la catedral

de Ciudad Guayana. El presupuesto de la propuesta en acero estructural se encuentra

adjuntado en el anexo H, y el análisis de precios unitario del mismo se muestra en el

anexo G.

Es necesario agregar que el presupuesto anexado es una estimación de lo que sería

el proyecto definitivo establecido en acero, debido a que los costos especificados en

este, tienden a variar rápidamente y quedan sujetos a las modificaciones de costos del

mercado actual nacional.

Matriz comparativa de los parámetros constructivos del sistema resistente

de la Plaza de la Virgen.

En la siguiente tabla se presenta una matriz comparativa, donde se muestran las

características más relevantes de los sistemas resistentes de la Plaza de la Virgen en

concreto pretensado y en acero estructural, respectivamente.

173

Tabla 38.

Matriz comparativa de los parámetros de construcción del sistema resistente de la plaza y estacionamiento de la catedral de

Ciudad Guayana, con el uso de concreto pretensado y acero estructural.

Concreto Acero

Parámetros

arquitectónicos

La estructura de la Plaza de la Virgen en concreto

pretensado consisten en elementos prefabricados y

pretensados; columnas de sección 60x60 cm en las

cuales estarán apoyadas las vigas de carga de tipo

“T” invertida de sección 100x60 y las vigas

antisísmicas de sección 30x50, cuyos elementos

permitirán el apoyo de la losa tipo “TT 25x250” . Las

vigas de carga deberán tener un vaciado de 10 cm de

concreto que la complemente para que finalmente

obtenga la altura requerida de 1.10 m.

La estructura de la Plaza de la Virgen en acero

consiste en elementos prefabricados de acero A36

comerciales IPE y HEB. La estructura está

constituida por columnas principales HEB 340 y

columnas auxiliares HEB 240, en las cuales se

apoyan, por medio de conexiones, las vigas

antisísmicas IPE750x196 y las vigas principales de

carga “V800”, a las cuales van debidamente

conectadas las correas de sección IPE 550. En la

parte posterior, las vigas principales, se encuentran

apoyadas sobre columnas de sección HEB 300 y

estas a su vez, descansan sobre ménsulas

previamente construidas, como se muestran en el

anexo A, figura 44 y figura 45.

Parámetros

Material

173

174

Tabla 38. (Continuación)

Matriz comparativa de los parámetros de construcción del sistema resistente de la plaza y estacionamiento de la catedral

Concreto Acero

Estabilidad

Estructural

La estructura del proyecto original en concreto

armado fue modelada y diseñada para resistir la

totalidad de las acciones permanentes, variables, de

viento y sismo. Los encargados del diseño realizaron

un análisis dinámico espacial según la norma

COVENIN 1756:98, mientras que el diseño

estructural se basó en los criterios establecidos en la

norma COVENIN 1753:85. El concreto para las

columnas, vigas y muros estructurales es de Fc = 250

Kgf/cm2, mientras que el esfuerzo de cedencia del

acero de refuerzo es de Fy= 4200 kgf/cm2. La

estructura en concreto cumple con todos los

parámetros de resistencia, deformaciones máximas y

estabilidad. La distribución de las columnas y las

vigas se muestran en los anexos B

La estructura de la Plaza de la Virgen en acero fue

modelada y diseñada con ayuda del software ETABS

2015, bajo los parámetros de diseño establecidos en

la norma ANSI-AISC 360-10. Las acciones

permanentes, variables, de viento y sismo fueron

determinadas según las normas COVENIN

2002:1988, 2003:1998 y 1756:2001

respectivamente. Se realizó un análisis sísmico con

diagrama flexible y las conexiones se diseñaron bajo

los parámetros establecidos en la norma AISC 360-

10. Para el diseño fueron utilizados perfiles IPE y

HEB de acero A36 con Fy =2530 Kgf/cm2 y Fu=

4080Kgf/cm2, se obtuvo que la relación

demanda/capacidad en el elemento más cargado de

la estructura fue de 0,895. La estructura cumple con

todos los parámetros de resistencia, deformaciones

máximas y estabilidad exigidos.

Parámetros

Material

174

175

Tabla 38. (Continuación)

Matriz comparativa de los parámetros de construcción del sistema resistente de la plaza y estacionamiento de la catedral

Concreto Acero

Fabricación

y Montaje

Una de las mayores desventajas que posee la

utilización de elementos de concreto pretensado es

su montaje y transporte, ya que es necesario contar

con operarios especializados. Se debe planear y

ejecutar cuidadosamente el proceso de transporte,

etapas de montaje y colado en obras, como se explica

en el Manual de diseño de estructuras prefabricadas

y preforzadas, de Eduardo Reinoso Angulo. Las

columnas serán colocadas por su proveedor en vasos

de fundación construidos por el contratista general

en obra, donde luego se hará un relleno con mortero

sin retracción en el espacio que queda entre columna

y vaso de fundación. Se montaran las vigas

antisísmicas y posteriormente las de carga,

seguidamente se colocaran las losas TT 25 del

entrepiso y el acero de refuerzo negativo en vigas de

carga para proceder con el vaciado de los nodos y el

topping de la losa TT 25 el cual deberá ser de

concreto armado y no menor a 5cm de espesor.

La estructura de acero debe ser conectada en obra

por sectores, para facilitar el montaje completo de la

estructura. Ya que la viga principal posee longitudes

de más de 12 mts, es requerido que sea suministrada

en partes para así simplificar su transporte entre el

sitio de fabricación y la obra para que posteriormente

sean unidas y montadas. Todas las conexiones

internas de los elementos deberán ser inspeccionadas

en taller, por su parte las conexiones que unirán

dichos elementos de la estructura en campo serán

apernadas con el objetivo de facilitar al máximo la

labor de montaje. El peso de los elementos de la

estructura no excede las 12 toneladas lo cual facilita

la labor de montaje, unida al hecho de que la

estructura metálica es más flexible y conlleva a

menos riesgos de daño o fractura que la estructura en

concreto durante los procesos de instalación.

Parámetros

Material

175

176

Tabla 38. (Continuación)

Matriz comparativa de los parámetros de construcción del sistema resistente de la plaza y estacionamiento de la catedral

Concreto Acero

Costos

La fabricación, el transporte y montaje de los

elementos prefabricados de la estructura de la plaza

en concreto, tiene un costo de 1.700.882.750,00 Bs.

El concreto pretensado no es considerado un material

costoso, por lo que existe un ahorro sustancial en este

factor. El montaje de los elementos en concreto, su

transporte desde la empresa proveedora hasta la obra

y la mano de obra especializada requerida son los

factores elevan los costos. Es importante mencionar

que en la zona no se encuentran empresas de

fabricación de este tipo de elementos, por lo que se

proyectan altos costos en transporte. Además, debido

a los grandes pesos que poseen los elementos, se

genera el movimiento de equipos de gran

envergadura, tales como camiones y grúas que

generan extensas horas laborales, provocando así

que el presupuesto alcance altos costos. Por supuesto

se debe tomar en cuenta la escasez de los materiales

para la fabricación de elementos de concreto

pretensado, lo que hace más difícil la utilización de

estos para el sistema constructivo planteado.

La fabricación, el transporte y montaje de los

elementos para la estructura de la Plaza de la Virgen

en acero, generan un costo de 1.226.616.000,52 Bs.

El presente trabajo de investigación propone utilizar

perfiles IPE y HEB (importados) con planchas A-36.

El acero como material de construcción posee un

costo relativamente alto, pero el montaje de este

material, desde el punto de vista económico, aporta

una gran disminución de costos en cualquier

proyecto. El peso relativamente bajo del acero

permite el uso de equipos de poca envergadura,

uniéndose al hecho de que la estructura podrá

ensamblarse por partes en campo. En la zona si

existen empresas fabricantes de perfiles de acero, por

lo que el transporte no presenta ninguna dificultad a

la hora de comparar costos. Se debe resaltar que

actualmente existe en el país, dificultad para la

obtención de estos perfiles, debido a la escasez de

elementos importados.

176

Material

Parámetros

177

Análisis de la matriz comparativa de los sistemas constructivos del sistema

resistente de la Plaza de la Virgen.

Arquitectónicamente la estructura en concreto pretensado es la original y la

estructura planteada en acero varía en la parte inferior de la plaza donde se

encuentra el estacionamiento, debido a la implementación de columnas

auxiliares para el cumplimiento de los parámetros de resistencia de las vigas

principales.

Tanto la estructura de concreto como la de acero son estables y competentes

en su función, la diferencia se observa en el peso de los elementos

prefabricados de ambos materiales y por lo tanto, en el peso total que posea

la estructura.

Debido al peso de los materiales, el montaje de la estructura de concreto

pretensado resulta bastante complejo, por lo que se debe optar por el uso de

equipos de gran magnitud. A su vez el vaciado y fraguado del concreto

utilizado en la obra para unir los elementos pretensados, provoca que el

tiempo de ejecución de la obra sea extenso. En cambio, el proyecto en acero

es más liviano, por lo que su montaje se considera más sencillo, con respecto

al concreto, lo cual conlleva a que la obra sea ejecutada con más rapidez y

eficacia.

La estructura planteada en acero resulta un 28% menos costosa que el

sistema estructural en concreto pretensado, esta diferencia se debe en gran

medida al proceso de montaje de ambas estructuras y al transporte de estas.

178

Capítulo V

Conclusiones y Recomendaciones

Con la propuesta de estudiar la factibilidad de modificar el material de construcción

de la estructura de la “Plaza de la Virgen”, utilizando como material principal el acero

estructural, se da respuesta al objetivo general de esta investigación, cumpliendo a su

vez con los objetivos específicos expuestos al inicio, llegándose a las siguientes

conclusiones y recomendaciones

Conclusiones

Con el modelo realizado en el programa ETABS 2015 y los resultados

obtenidos de este, se puede concluir que la estructura planteada de la Plaza de

la Virgen en acero como material principal, es factible estructuralmente para su

aplicación. Por supuesto es de suma importancia resaltar que para que la

propuesta sea factible técnicamente se tuvo que modificar la arquitectura

planteada para el estacionamiento ubicado bajo la plaza.

Arquitectónicamente la estructura de acero rompe con la forma original, debido

a que el diseño presentado en la presente investigación requiere de la

implementación de columnas auxiliares.

Con base a la información suministrada se puede afirmar que el proceso de

fabricación, transporte y montaje de la estructura de acero es más práctico y

sencillo que el de la estructura de concreto pretensado. El acero permite la

fabricación en taller de los elementos estructurales, admite a su vez ensamblar

179

los miembros con uniones de fácil ejecución en campo, evitando el complejo

montaje y vaciado en sitio que plantea la estructura en concreto.

Con los valores obtenidos de los presupuestos se observa que el costo de la

estructura en concreto pretensado es de 1.700.882.750,00 Bs, mientras que el

costo resultante de la estructura propuesta en acero es de 1.226.616.000,52 Bs,

por lo que se presenta una reducción en costo del 28%, lo que indica que

efectivamente es más económico elaborar el proyecto en acero estructural como

material principal para el sistema estructural.

Los perfiles utilizados como correas, vigas de transmisión y columnas, en el

sistema estructural planteado en acero en el presente Trabajo de Grado, no se

encuentran disponibles actualmente en el mercado nacional debido a la escasez

de elementos importados. Pero es importante agregar que los materiales para la

fabricación de elementos prefabricados pretensados también se encuentran

exiguos del país.

Recomendaciones

Se recomienda considerar este Trabajo de Grado para el desarrollo de

estudios, investigaciones y nuevas propuestas en acero estructural; aunque el

sistema planteado cumple en general con las exigencias establecidas en el

proyecto, dicha propuesta no es más que un modelo de ingeniería básica.

Sustituir el material de la estructura de la Plaza de la Virgen de concreto por

acero lleva a un cambio considerable, en el cual la forma y los elementos

planteados para dicho material no necesariamente representan la

configuración más eficiente en acero, además de que la finalidad de este

Trabajo de Grado es determinar la factibilidad del cambio propuesto.

180

Utilizar perfiles armados con planchas de acero A-36, como el perfil V800

especificado, con las mismas dimensiones de los perfiles IPE y HEB

seleccionados, esto se tomará en cuenta en el caso de no conseguir los

elementos previstos en el país, dado que son perfiles importados.

Para la implementación de las columnas auxiliares se recomienda evitar la

construcción de zapatas, apoyando directamente los elementos sobre la losa

de concreto del suelo y de esta manera evadir los costos adicionales en la

construcción.

Para los elementos principales de nuevos diseños estructurales, se

recomienda el uso de secciones variables, ya que estos proporcionan una

importante disminución del peso del acero en la estructura y por lo tanto una

reducción de costos.

Se recomienda ampliar este estudio con el uso de secciones mixtas, ya que,

esta alternativa proporciona una reducción en las dimensiones y peso de la

estructura, lo que conlleva a una reducción de costos mayor a la presentada.

Para el sistema estructural planteado en acero se utilizaron elementos de gran

magnitud y de la misma manera se agregaron columnas auxiliares no

previstas en el proyecto, por lo tanto es importante llevar a cabo una

evaluación del espacio bajo la plaza, donde se pretende ubicar el

estacionamiento, para verificar si las modificaciones realizadas al proyecto,

proporcionan ventajas o desventajas en el estacionamiento de la catedral.

Una vez montada la losa con su respectivo topping de 5 cm de concreto, es

recomendable hacer el curado de la misma, para así evitar agrietamientos en

la superficie y aumentar su resistencia.

181

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Método de los estados límites. Venezuela: Vicerrectorado Administrativo de

la Universidad de los Andes.

183

Anexo A: Fotos recientes de la construcción de la Catedral

de Ciudad Guayana

184

Figura 40. Vista general de la construcción de la catedral de Ciudad Guayana.

Figura 41. Terreno donde se proyecta la Plaza de la Virgen. Se observan los

primeros pilotes ubicados para su construcción.

185

Figura 42. Vista frontal y desde la parte más baja del área donde inicia la Plaza de

la Virgen.

Figura 43. Vista interior de la capilla diaria en construcción, bajo la catedral.

186

Figura 44. Vista complete de una de las columnas que posee ménsula y está

ubicada en el inicio de la plaza.

187

Figura 45. Columnas con ménsula, ubicadas al inicio de la plaza, y donde

comienza el apoyo de esta.

188

Anexo B: Planos arquitectónicos y estructurales de la Plaza

de la Virgen, para el proyecto planteado en concreto

189

Anexo C: Tabla de perfiles estructurales

190

190

Figura 46. Perfil IPE. Dimensiones y propiedades para el diseño.

191

191

Figura 47. Perfil HEB. Dimensiones y propiedades para el diseño.

192

192

Anexo D: Elaboración del modelo estructural en ETABS

2015, análisis y diseño.

193

193

Figura 48. Propiedades de los materiales establecidas en el programa.

Figura 49. Propiedades de las secciones establecidas en el programa.

194

194

Figura 50. Propiedades de la sección HEB 340 establecidas en el programa.

Figura 51. Patrones de carga establecidos en el programa.

195

195

Figura 52. Propiedades de la sección IPE 750x196 establecidas en el

programa.

Figura 53. Combinaciones de carga establecidas en el programa.

196

196

Figura 54. Combinación #2 (Dominante).

Figura 55. Deformaciones modales de la estructura.

197

197

Figura 56. Deformación sísmica de la estructura.

19

8

198

Anexo E: Planos del modelo estructural de la Plaza de la

Virgen propuesto en acero

199

199

Anexo F: Presupuesto de la construcción del sistema

resistente de la Plaza de la Virgen planteado en concreto

pretensado.

204

200

Anexo G: Análisis de Precios Unitario de la estructura de la

“Plaza de la Virgen” planteado en acero estructural.

207

201

Anexo H: Presupuesto de la construcción del sistema

resistente de la Plaza de la Virgen planteado en acero

estructural.

219

202

Anexo I: Especificaciones de los elementos prefabricados

suministrados por el proveedor, para la construcción de la

estructura en concreto pretensado. Obtenido del manual de

PREVENCA

222

203

223

Figura 57. Especificaciones de la losa PREVENCA tipo “TT 20x250”, para techos y para entrepisos

204

Figura 58. Especificaciones de viga PREVENCA tipo “T inv. 60x105”

224

205

Figura 59. Especificaciones del vaciado del topping, según manual de PREVENCA.

225