FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
DISEÑO ESTRUCTURAL SISMO RESISTENTE EN ACERO Y ANÁLISIS
SÍSMICO MODAL ESPECTRAL DE UN EDIFICIO DE 8 NIVELES UBICADO EN
LA CIUDAD DE GUAYAQUIL.
AUTOR: CABRERA ORDÓÑEZ JOHNNY XAVIER.
TUTOR: ING. RAÚL ROBALINO DÍAZ, MSc.
GUAYAQUIL, ABRIL, 2019.
ii
AGRADECIMIENTO
Primero tengo que agradecer a Dios, que me ha permitido seguir adelante y
poder cumplir el propósito de aprender sobre esta carrera que siempre me
interesó y de la cual yo quería convertirme en un profesional, la Ingeniería Civil.
Agradezco a la Universidad de Guayaquil y la Facultad de Ciencias Matemáticas
y Físicas, por ser un centro de enseñanza y formación de profesionales de
excelencia, brindando la facilidades y ayuda que los estudiantes necesiten.
A mis padres, a los que debo su paciencia, sacrificio, formación y motivación
para continuar y no rendirme. A mis hermanas por estar siempre a mi lado
alentándome y ayudándome a entender que no es fácil llegar a la excelencia y
es necesario trabajar duro y esforzarse al máximo.
A los profesores, por guiarme en este camino de aprendizaje y brindarme sus
conocimientos sobre ingeniería civil, tanto en la teoría como en la práctica. A mi
tutor de titulación, el Ing. Raúl Robalino Díaz, por su apoyo, consejos y
orientación que me han ayudado a poder realizar este trabajo de titulación.
Gracias también a mis amigos, por compartir esta experiencia conmigo, tanto en
las clases como en los proyectos grupales, que me han permitido aprender el
valor de la colaboración y el trabajo en equipo.
iii
DEDICATORIA
Este trabajo de titulación se lo dedico primero a Dios, pues es gracias a Él quien
me ha dado la vida, las fuerzas y la sabiduría para así poder alcanzar las metas
que me he trazado y permitirme adquirir nuevas experiencias y conocimientos.
A mis queridos padres Julio Raúl Cabrera Molina y Teresa de Jesús Ordóñez
Robles, gracias por su amor y apoyo incondicional; que me han ayudado a seguir
adelante, y me han brindado la confianza para prepararme, terminar mis estudios
universitarios y ser un excelente profesional.
A mis hermanas Liliana Cabrera Ordóñez y Mónica Cabrera Ordóñez, por esas
palabras de motivación en los momentos más difíciles, que me han ayudado a
no rendirme, ser perseverante y demostrar de lo que puedo ser capaz.
A mis maestros por la educación brindada a través de estos años de carrera
universitaria, gracias por la paciencia que han demostrado para enseñar y por
los conocimientos obtenidos de ingeniería civil.
También a mis amigos, por esos momentos de apoyo y camaradería, por
aquellas amanecidas haciendo proyectos o estudiando para exámenes, y por
esas reuniones y convivencia entre amigos que ayudaron a hacer más alegre y
ameno el paso por la universidad.
vii
Tribunal de graduación.
____________________________ ____________________________
Ing. Gustavo Ramírez Aguirre, MSc. Ing. Marcelo Moncayo Theurer, MSc.
Decano. Tutor.
___________________________ _________________________
Vocal Vocal
viii
RESUMEN
Este trabajo de titulación trata acerca de: “Diseño Estructural Sismo Resistente en
Acero y Análisis Sísmico Modal Espectral de un Edificio de 8 Niveles Ubicado en la
Ciudad de Guayaquil”. El objetivo es garantizar que este edificio, destinado a ser
un hotel, sea sismorresistente y ofrezca un comportamiento adecuado según como
lo indica la norma vigente NEC 2015.
Mediante el uso de las normas NEC-SE-DS 2015, el reglamento AISC 360 y AISC
341 se diseñan los elementos estructurales a fin de obtener perfiles estructurales
metálicos óptimos para soportar las cargas gravitacionales y de acción sísmica.
Con el uso del software ETABS 2016, se modela la estructura para determinar cuál
será la respuesta dinámica de dicha edificación ante un sismo, determinando entre
varios aspectos el período fundamental dinámico, los modos de vibración de la
estructura y los desplazamientos laterales máximos.
Además se diseñan los elementos a flexión para el caso de las vigas y a flexo-
compresión en el caso de las columnas; además de verificar ambos miembros por
pandeo local. La relación “Demanda/Capacidad” de los elementos estructurales y
la relación Columna Fuerte - Viga Débil también son verificadas.
Este trabajo de titulación no está orientado a centrarse o explorar a fondo el estudio
dinámico de una estructura o en la ingeniería sísmica, sino más bien está enfocado
en cumplir los criterios estructurales, la filosofía de diseño sismorresistente en
acero y las normativas actuales.
Palabras clave: DISEÑO – ACERO – SISMO RESISTENTE – ANÁLISIS -
DINÁMICO.
ix
ABSTRACT
This degree work deals with: "Structural Design Resistive Steel Seismic and
Spectral Modal Seismic Analysis of an 8-Level Building Located in the City of
Guayaquil". The objective is to guarantee that this building, destined to be a hotel,
is earthquake resistant and offers an adequate behavior according to the current
norm NEC 2015.
Through the use of the NEC-SE-DS 2015, the AISC 360 and AISC 341 regulations,
the structural elements are designed in order to obtain the optimal metallic structural
profiles to support the gravitational and seismic action loads.
With the use of the ETABS 2016 software, the structure is modeled to determine
the dynamic response of this building to an earthquake, determining among several
aspects the dynamic fundamental period, the structure's vibration modes and the
maximum lateral displacements.
In addition, the elements are designed by flexion for the case of beams and flexo-
compression in the case of the columns; besides checking both members by local
buckling. The relation "Demand / Capacity" of the structural elements and the
relation Strong Column - Weak Beam are also verified.
This degree work is not aimed to focus or explore in depth the dynamic study of a
structure or seismic engineering, but rather is focused on meeting the structural
criteria, the seismic design philosophy in steel and current regulations.
Keyword: DESIGN - STEEL – EARTHQUAKE RESISTANT - ANALYSIS – DYNAMIC.
x
INDICE GENERAL
Capítulo I
GENERALIDADES
1 Introducción ..................................................................................................... 1
1.1 Planteamiento del problema ...................................................................... 2
1.2 Objetivos ................................................................................................... 3
1.2.1 Objetivo general. ................................................................................. 3
1.2.2 Objetivos específicos. ......................................................................... 3
1.3 Justificación e importancia ........................................................................ 4
1.4 Metodología a emplearse .......................................................................... 5
1.5 Delimitación del tema ................................................................................ 6
Capítulo II
MARCO TEÓRICO
2.1 Introducción ............................................................................................. 11
2.2 ¿Qué es el acero? ................................................................................... 12
2.2.1 Proceso de fabricación del acero. ..................................................... 12
2.3 Ventajas y desventajas del acero ............................................................ 14
2.3.1 Ventajas. ........................................................................................... 14
2.3.2 Desventajas. ..................................................................................... 14
2.4 Propiedades mecánicas del acero .......................................................... 15
2.5 Grados de acero estructural .................................................................... 16
2.6 Resistencia probable del material ........................................................... 17
2.6.1 Factores de sobrerresistencia........................................................... 17
2.7 Perfiles de acero estructural .................................................................... 20
2.7.1 Perfil tipo H o I. ................................................................................. 20
2.7.2 Perfil tipo U o canal. .......................................................................... 21
2.7.3 Perfil tipo L o ángulo. ........................................................................ 21
xi
2.7.4 Perfil T. ............................................................................................. 22
2.7.5 Tubo de acero de sección hueca. ..................................................... 22
2.8 Métodos de diseño en acero ................................................................... 23
2.8.1 Método de las tensiones admisibles, ASD. ....................................... 23
2.8.2 Método de factores de carga y resistencia, LRFD. ........................... 23
2.8.2.1 Estados límites de servicio, ELS. .................................................. 23
2.8.2.2 Estados límites de resistencia o últimos, ELU. .............................. 24
2.9 Sistemas estructurales para construcciones de acero ............................ 25
2.9.1 Pórticos resistentes a momento........................................................ 26
2.9.2 Pórticos arriostrados concéntricamente. ........................................... 27
2.9.3 Pórticos arriostrados excéntricamente. ............................................. 29
2.10 Métodos de diseño sismorresistente ....................................................... 31
2.10.1 Diseño por capacidad. ...................................................................... 31
2.10.2 Diseño basado en desempeño. ........................................................ 32
2.11 Filosofía de diseño sismorresistente según NEC-15 ............................... 34
2.12 Determinación de cargas sísmicas.......................................................... 35
2.12.1 Método de diseño basado en fuerzas (DBF). ................................... 36
2.13 Estructuras de acero ante eventos sísmicos ........................................... 37
2.14 Factores de desempeño .......................................................................... 38
2.15 Relación de ancho/espesor ..................................................................... 39
Capítulo III
ASPECTOS METODOLÓGICOS
3.1 Filosofía para el diseño de estructuras de acero ..................................... 41
3.1.1 Procedimiento general de diseño. .................................................... 42
3.2 Predimensionamiento de elementos estructurales .................................. 43
3.2.1 Predimensionado de vigas. .............................................................. 43
3.2.2 Predimensionado de columnas......................................................... 44
3.2.3 Predimensionado de correas o vigas de transferencia. .................... 44
3.2.4 Predimensionado de losa. ................................................................ 45
3.3 Cargas y combinaciones de cargas ........................................................ 46
3.3.1 Cargas gravitacionales. .................................................................... 46
xii
3.3.1.1 Cargas permanentes. .................................................................... 46
3.3.1.2 Cargas variables. .......................................................................... 46
3.3.2 Cargas sísmicas. .............................................................................. 47
3.3.3 Combinaciones de cargas. ............................................................... 47
3.4 Espectro elástico de diseño .................................................................... 48
3.4.1 Zonificación sísmica del Ecuador y factor Z. .................................... 50
3.4.2 Tipos de perfiles de suelos. .............................................................. 51
3.4.3 Coeficientes de perfil de suelo Fa, Fd y Fs. ........................................ 52
3.5 Categoría de edificio y coeficiente de importancia I ................................ 53
3.6 Coeficientes de configuración estructural ................................................ 54
3.6.1 Regularidad en planta y elevación. ................................................... 54
3.6.2 Irregularidades. ................................................................................. 55
3.7 Ductilidad y factor de reducción R ........................................................... 57
3.8 Cortante basal de diseño ........................................................................ 58
3.9 Control de la deriva de piso (ΔM) ............................................................. 58
Capítulo IV
DESARROLLO DEL PROYECTO PROPUESTO
4.1 Ubicación del proyecto ............................................................................ 59
4.2 Características arquitectónicas de la estructura ...................................... 61
4.3 Distancias efectivas y área de construcción ............................................ 65
4.4 Computo de cargas ................................................................................. 67
4.4.1 Carga muerta. ................................................................................... 67
4.4.2 Carga sobreimpuesta. ...................................................................... 67
4.4.3 Carga viva. ....................................................................................... 69
4.4.4 Carga de losa de cubierta. ................................................................ 69
4.4.5 Carga de escalera. ........................................................................... 70
4.5 Predimensionamiento .............................................................................. 73
4.5.1 Predimensionado de vigas perimetrales e interiores. ....................... 73
4.5.2 Predimensionamiento de columnas. ................................................. 73
4.5.2.1 Predimensionado de columnas interiores. ..................................... 74
4.5.2.2 Predimensionado de columnas perimetrales. ................................ 76
xiii
4.5.3 Predimensionado de correas. ........................................................... 78
4.6 Modelo matemático en ETABS 2016 ...................................................... 80
4.6.1 Definición de propiedades de los materiales. ................................... 81
4.6.2 Definición de perfiles predimensionados. ......................................... 82
4.6.3 Definición de patrones de carga. ...................................................... 84
4.6.4 Fuente de masa. ............................................................................... 85
4.6.5 Definición del espectro de respuesta. ............................................... 85
4.6.6 Definición de casos de cargas. ......................................................... 86
4.6.7 Definición de combinaciones de carga. ............................................ 88
4.6.8 Efecto P-Delta................................................................................... 89
4.6.9 Modal Cases. .................................................................................... 89
4.6.10 Asignación de secciones. ................................................................. 90
4.6.11 Asignación de cargas. ...................................................................... 91
4.6.12 Diafragmas rígidos. ........................................................................... 92
4.6.13 Brazos rígidos. .................................................................................. 92
4.6.14 Preferencias para el diseño de acero. .............................................. 93
4.7 Análisis estructural .................................................................................. 95
4.7.1 Período fundamental y modos de vibración. ..................................... 95
4.7.2 Ajuste del cortante basal dinámico. .................................................. 97
4.7.3 Revisión de derivas de piso. ........................................................... 102
4.7.4 Desplazamiento máximo de piso. ................................................... 103
4.7.5 Comprobación de flecha máxima en vigas y correas. .................... 103
4.7.6 Verificación de ratios demanda/capacidad. .................................... 105
Capítulo V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones ......................................................................................... 106
5.2 Recomendaciones................................................................................. 107
BIBLIOGRAFÍA
Anexos
xiv
INDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1: Tabla de Perforación suelo Tipo “D” en Guayaquil .......................................... 7
Ilustración 2: Sistema estructural de un edificio en acero .................................................... 11
Ilustración 3: Proceso de Fabricación de Acero ..................................................................... 13
Ilustración 4: Laminación de Acero .......................................................................................... 13
Ilustración 5: Diagrama Esfuerzo-Deformación del Acero .................................................... 15
Ilustración 6: Curvas esfuerzo-deformación de algunos grados de acero ......................... 17
Ilustración 7: Curvas tensión-deformación con la respuesta mínima esperada y
especificada.................................................................................................................................... 18
Ilustración 8: Valores de los factores Ry y Rt ......................................................................... 19
Ilustración 9: Perfiles de acero estructural tipo H e I ............................................................. 20
Ilustración 10: Perfil de acero estructural tipo U ..................................................................... 21
Ilustración 11: Perfil de acero estructural tipo L ..................................................................... 21
Ilustración 12: Perfil de acero estructural tipo T ..................................................................... 22
Ilustración 13: Tubo de acero de sección hueca cuadrado y circular ................................. 22
Ilustración 14: Clasificación de los sistemas estructurales sismorresistentes para
construcciones de acero, según AISC 341-16 ......................................................................... 25
Ilustración 15: Pórticos resistentes a momento y su comportamiento ante cargas
sísmicas .......................................................................................................................................... 26
Ilustración 16: Estructura de pórticos arriostrados concéntricamente ................................ 27
Ilustración 17: Tipos más comunes de pórticos con arriostramientos concéntricos ......... 28
Ilustración 18: Comportamiento de un pórtico con arriostramiento concéntrico ante un
sismo ............................................................................................................................................... 28
Ilustración 19: Estructura de pórticos con arriostramientos excéntricos ............................ 29
Ilustración 20: Detalle del enlace en un pórtico con arriostramientos excéntricos ........... 29
Ilustración 21: Tipos más comunes de pórticos con arriostramientos excéntricos ........... 30
Ilustración 22: Comportamiento de un pórtico con arriostramiento excéntrico ante un
sismo ............................................................................................................................................... 30
Ilustración 23: Miembros fusibles en sistemas estructurales SMF, SCBF Y EBF ............ 31
Ilustración 24: Niveles de Amenaza Sísmica .......................................................................... 32
Ilustración 25: Relación amenaza sísmica - objetivos de desempeño, VISION 2000. .... 33
Ilustración 26: Síntesis de la filosofía de diseño sismorresistente ...................................... 34
Ilustración 27: Valores de ∆M máximos ................................................................................... 34
Ilustración 28: Representación esquemática de una estructura ante un sismo ................ 35
Ilustración 29: Representación del diseño basado en fuerzas (DBF) ................................. 36
Ilustración 30: Comportamiento de un sistema elástico e inelástico ante un sismo ......... 37
Ilustración 31: Ilustración de los factores de desempeño ..................................................... 38
Ilustración 32: Relaciones máximas de ancho/espesor ........................................................ 39
Ilustración 33: Planta de edificio de acero estructural compuesto por Pórticos
Resistentes a Momento y Gravitacionales ................................................................................ 41
Ilustración 34: Procedimiento general de diseño para estructuras de acero ..................... 42
Ilustración 35: Tabla de altura de viga mínima recomendada para Fy= 2530 Kg/cm² ..... 43
Ilustración 36: Tabla de flechas máximas recomendadas .................................................... 43
Ilustración 37: Tabla de relación entre módulo plástico de columna y vigas ..................... 44
Ilustración 38: Tabla de relación L/h para losas en sistemas de piso................................. 45
Ilustración 39: Espectro elástico de aceleraciones que representa el sismo de diseño. . 48
Ilustración 40: Ecuaciones para obtener la aceleración (Sa) del espectro de diseño. ..... 49
xv
Ilustración 41: Mapa de zonificación sísmica del Ecuador ................................................... 50
Ilustración 42: Valores del factor Z en función de la zona sísmica adoptada .................... 50
Ilustración 43: Clasificación de los perfiles de suelo ............................................................. 51
Ilustración 44: Fa, Coeficiente de amplificación de suelo en zona de período corto ........ 52
Ilustración 45: Fd, Coeficiente de amplificación de las ordenadas del espectro elástico 52
Ilustración 46: Fs, Coeficiente del comportamiento no lineal de los suelos ....................... 53
Ilustración 47: Categorización y coeficiente de importancia de la estructura .................... 53
Ilustración 48: Tabla de configuraciones estructurales regulares en planta y elevación . 54
Ilustración 49: Tabla de configuraciones y coeficientes de irregularidad en planta ......... 55
Ilustración 50: Tabla de configuraciones y coeficientes de irregularidad en elevación ... 56
Ilustración 51: Valores del coeficiente de reducción R para sistemas estructurales
dúctiles ............................................................................................................................................ 57
Ilustración 52: Mapa Satelital de la ubicación del proyecto en la ciudad de Guayaquil ... 59
Ilustración 53: Plano de Localización del proyecto ................................................................ 60
Ilustración 54: Fachadas Frontal, Posterior y Lateral Izquierda y Derecha del Edificio ... 61
Ilustración 55: Cortes A-A y B-B del Edificio ........................................................................... 62
Ilustración 56: Planta Baja del Edificio ..................................................................................... 62
Ilustración 57: Primera Planta del Edificio ............................................................................... 63
Ilustración 58: Segunda Planta del Edificio ............................................................................. 63
Ilustración 59: Plantas Tipo 3 y 4, Tipo 5 y 6 y Planta 7 del Edificio ................................... 64
Ilustración 60: Distancias Efectivas de la Planta Baja ........................................................... 65
Ilustración 61: Distancias Efectivas de la Planta Tipo del primer y segundo piso ............ 66
Ilustración 62: Distancias Efectivas de la Planta Tipo del tercer al séptimo piso ............. 66
Ilustración 63: Geometría de losa Steel Deck Novalosa 55 ................................................. 68
Ilustración 64: Pesos del sofito metálico Novalosa 55 y Volumen de Hormigón .............. 68
Ilustración 65: Detalle de Escalera ........................................................................................... 70
Ilustración 66: Detalle de escalón ............................................................................................. 71
Ilustración 67: Detalle de descanso ......................................................................................... 71
Ilustración 68: Detalle de apoyos de la escalera .................................................................... 72
Ilustración 69: Datos para el cálculo del centroide, viga IPE450 ......................................... 74
Ilustración 70: Datos para el cálculo del centroide, columna TUBO 320x320x35 ............ 75
Ilustración 71: Datos para el cálculo del centroide, viga IPE500 ......................................... 76
Ilustración 72: Datos para el cálculo del centroide, columna TUBO 360x360x35 ............ 77
Ilustración 73: Datos para el cálculo del centroide, viga IPE240 ......................................... 78
Ilustración 74: Vista Renderizada de la Estructura, ETABS 2016 ....................................... 80
Ilustración 75: Definición de propiedades de acero ASTM A36, ETABS 2016 ................. 81
Ilustración 76: Definición de viga IPE500, ETABS 2016 ....................................................... 82
Ilustración 77: Definición de viga IPE450, ETABS 2016 ....................................................... 82
Ilustración 78: Definición de viga IPE240, ETABS 2016 ....................................................... 83
Ilustración 79: Definición de columna TUBO360x360x35, ETABS 2016 ........................... 83
Ilustración 80: Definición de columna TUBO320x320x35, ETABS 2016 ........................... 84
Ilustración 81: Load Patterns, ETABS 2016 ........................................................................... 84
Ilustración 82: Mass Source, ETABS 2016 ............................................................................. 85
Ilustración 83: Espectro de respuesta, ETABS 2016 ............................................................ 85
Ilustración 84: Load Case Sismo X, ETABS 2016 ................................................................. 86
Ilustración 85: Load Case Sismo Y, ETABS 2016 ................................................................. 87
Ilustración 86: Load Case Sismo Horizontal, ETABS 2016 .................................................. 87
Ilustración 87: Combinaciones de Carga, ETABS 2016 ....................................................... 88
xvi
Ilustración 88: Efecto P-Delta, ETABS 2016 ........................................................................... 89
Ilustración 89: Modal Cases, ETABS 2016 ............................................................................. 89
Ilustración 90: Vista en planta y elevación de secciones asignadas, ETABS 2016 ......... 90
Ilustración 91: Asignación de cargas sobre losa y viga de la escalera, ETABS 2016 ..... 91
Ilustración 92: Diafragmas rígidos en las losas, ETABS 2016 ............................................. 92
Ilustración 93: Asignación de brazos rígidos en juntas viga-columna, ETABS 2016 ....... 93
Ilustración 94: Preferencias de diseño en acero, ETABS 2016 ........................................... 94
Ilustración 95: Períodos y Modos de Vibración, ETABS 2016 ............................................. 95
Ilustración 96: Masas participativas, ETABS 2016 ................................................................ 96
Ilustración 97: Cortante basal dinámico sentido X, ETABS 2016 ........................................ 98
Ilustración 98: Cortante basal dinámico sentido Y, ETABS 2016 ........................................ 99
Ilustración 99: Cortante dinámico en Y afectado por factor de amplificación, ETABS
2016 ............................................................................................................................................... 100
Ilustración 100: Cortante basal dinámico Sismo H, ETABS 2016 ..................................... 101
Ilustración 101: Valores del drift en sentido X y sentido Y, ETABS 2016 ........................ 102
Ilustración 102: Valores de displacement en sentido X y sentido Y, ETABS 2016 ........ 103
Ilustración 103: Deflexión máxima de viga perimetral IPE500, ETABS 2016 ................. 104
Ilustración 104: Deflexión máxima de viga interior IPE450, ETABS 2016 ....................... 104
Ilustración 105: Deflexión máxima de viga de correa IPE240, ETABS 2016 .................. 104
Ilustración 106: Chequeo de Ratios Demanda/Capacidad, ETABS 2016 ....................... 105
xvii
INDICE DE TABLAS
Tabla 1: Propiedades de Tensión Especificadas por las norma ASTM ............... 16
Tabla 2: Valores del factor de resistencia ø para miembros de acero ................. 24
Tabla 3: Relación entre niveles de desempeño y distorsión de piso (Biddah y
Heidebrecht, 1998). .............................................................................................. 33
Tabla 4: Factores de desempeño para diferentes sistemas estructurales ........... 38
Tabla 5: Valores de sobrecarga viva mínima para uso residencial. ..................... 46
Tabla 6: Área Total de la estructura. .................................................................... 66
Tabla 7: Sobrecarga de Paredes ......................................................................... 67
Tabla 8: Sobrecarga de Acabados ...................................................................... 68
Tabla 9: Sobrecarga de Losa Steel Deck ............................................................ 69
Tabla 10: Sobrecarga de Escalera ...................................................................... 72
Tabla 11: Centroide de Viga Interior IPE450 ....................................................... 74
Tabla 12: Centroide de Columna TUBO 320x320x35 .......................................... 75
Tabla 13: Centroide de Viga Perimetral IPE500 .................................................. 76
Tabla 14: Centroide de Columna TUBO 360x360x35 .......................................... 77
Tabla 15: Centroide de Viga de Correa IPE240 ................................................... 79
Tabla 16: Resultados de los primeros 5 modos de vibración de la estructura ..... 96
Tabla 17: Cálculo del Peso Sísmico W ................................................................ 97
Tabla 18: Cálculo de deriva máxima de piso ΔM ............................................... 102
Tabla 19: Cálculo de desplazamiento máximo de piso ...................................... 103
1
CAPÍTULO I
GENERALIDADES
1 Introducción
Actualmente en el Ecuador se han incrementado los proyectos de edificios
construidos en acero estructural, y debido al hecho de que en nuestro país existe
un gran riesgo sísmico, es indispensable que estas estructuras sean
sismorresistentes; por lo tanto, es de suma importancia realizar un correcto análisis
y asegurarse que estas edificaciones cumplan las normas y diseños antisísmicos y
así poder garantizar un comportamiento estable de la estructura.
En la norma ecuatoriana NEC 2015, en su capítulo de Peligro Sísmico NEC-SE-
DS 2015, se nos muestra los parámetros que se deben tomar en cuenta para crear
un espectro de respuesta, el cual será aplicado a la estructura para así saber cómo
se comportaría ante un movimiento telúrico y asegurar así que el diseño sea
sismorresistente. Entre dichos parámetros se encuentra una zonificación del estado
ecuatoriano en seis zonas según su peligro sísmico dando a cada una un factor “z”;
además cuenta con la clasificación de los perfiles de suelo: A, B, C, D, E y F,
depende del tipo de terreno donde se va a implantar la estructura, y con coeficientes
de perfil del suelo Fa, Fd y Fs, que se obtienen a partir de los dos parámetros
descritos anteriormente. También cuenta con factores de importancia,
dependiendo del uso que se le dará a la estructura; factores de irregularidad, que
se utilizan en el caso de que el edificio presente irregularidades ya sea verticales o
en planta; y también un factor de reducción de resistencia “R” que permite una
disminución de las fuerzas sísmicas, así la estructura incursionará en el rango
inelástico dándole suficiente resistencia y ductilidad.
2
Para este trabajo de titulación se realizará el dimensionamiento y diseño de los
miembros estructurales en base a las normas americanas AISC 360 y AISC 341.
El procedimiento de diseño se realizará paso a paso hasta obtener los perfiles
metálicos óptimos, para luego ser modelados en el software ETABS 2016 siguiendo
las recomendaciones de la normativa NEC 2015, así se obtendrá una respuesta
dinámica y se verificará el período fundamental, los modos de vibración de la
estructura, los desplazamientos laterales máximos, y demás parámetros.
1.1 Planteamiento del problema
En el Ecuador se ha incrementado el número de edificios construidos con acero
estructural, debido a las ventajas que este material posee, como su alta resistencia
o gran ductilidad. De esta forma las estructuras metálicas se han convertido en una
herramienta importante en el desarrollo de edificaciones hoy en día. Por lo tanto es
indispensable que las estructuras de acero cumplan con las normas y diseños
antisísmicos para garantizar un comportamiento seguro y lograr una estabilidad en
la estructura.
Este trabajo de titulación plantea realizar el diseño y análisis de un hotel de 8
niveles en acero estructural cumpliendo los requisitos establecidos en las normas,
determinando así su resistencia ante un sismo. El edificio está ubicado en la ciudad
de Guayaquil, sobre suelo tipo “D”. El diseño de acero se basará en las normativas
americanas AISC 360 y AISC 341. Se mostrará la respuesta de la estructura ante
un sismo mediante el análisis dinámico modal espectral, usando un espectro de
respuesta de acuerdo a lo indicado en la normativa de peligro sísmico NEC-SE-DS
2015.
3
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general.
Realizar el diseño en acero estructural de un edificio de 8 niveles utilizando
un análisis sísmico modal espectral para la ciudad de Guayaquil usando el
software ETABS 2016, con el fin de obtener los perfiles estructurales metálicos
óptimos y que cumplan con las normas NEC-SE-DS 2015, el reglamento AISC
360 y AISC 341.
1.2.2 Objetivos específicos.
• Evaluar las cargas verticales y la acción sísmica a través de un análisis de
cargas gravitacionales y análisis modal espectral aplicando la norma NEC-
SE-DS 2015, con el fin de determinar la magnitud de las cargas a las que
estará sometida la estructura.
• Predimensionar los perfiles estructurales de columnas y vigas aplicando
los requerimientos del reglamento AISC 360 y AISC 341, para poder
determinar si cumplen con los requisitos de diseño sismorresistente.
• Modelar la estructura del edificio, mediante el uso del software ETABS,
con el propósito de obtener una respuesta dinámica que nos brinde una
idea de cómo se comportará la estructura ante un sismo de diseño, con un
periodo de retorno de 475 años, obteniendo el período fundamental, los
modos de vibración de la estructura y los desplazamientos laterales
máximos.
• Realizar el diseño sismorresistente de los elementos tomando en cuenta
las normas NEC-SE-DS 2015, AISC 360 y AISC 341.
4
1.3 Justificación e importancia
Nuestro país se encuentra en una zona altamente sísmica, como lo es el
Cinturón de Fuego del Pacífico, y actualmente se está viviendo una creciente
actividad telúrica, como por ejemplo, el terremoto ocurrido en Pedernales el 16 de
abril del 2016.
Guayaquil es una de las ciudades del país que presenta un gran riesgo sísmico,
y se ha visto afectada por los últimos terremotos, provocando que muchas
estructuras colapsen o queden gravemente dañadas al no poder responder
adecuadamente ante un sismo.
Por eso es de suma importancia realizar un diseño y análisis de las edificaciones,
de una manera que estas sean sismorresistentes, para así garantizar la seguridad
en los edificios, reducir las pérdidas materiales y salvaguardar las vidas humanas.
Una correcta aplicación de las normativas y de los conceptos sobre el diseño
sismorresistente para miembros y elementos estructurales de acero, permitirá que
la edificación tenga un comportamiento dúctil, siendo capaz de incursionar en
deformaciones inelásticas.
Esta filosofía de diseño es sumamente importante para garantizar el
funcionamiento adecuado de la estructura, limitando mecanismos frágiles, de
fractura e inestabilidad; y propiciando mecanismos dúctiles o de cedencia, lo que
permitirá a la estructura disipar adecuadamente la energía a través de
deformaciones plásticas y brindará seguridad a la estructura ante sismos en la
ciudad de Guayaquil.
5
1.4 Metodología a emplearse
Se analizará una edificación de 8 niveles destinada a ser un hotel, a partir de
planos arquitectónicos. El material de construcción a utilizarse es acero estructural
ASTM A36. El proyecto está ubicado en la ciudad de Guayaquil; el tipo de suelo
sobre el que se asentará la estructura es tipo “D”.
Para el predimensionamiento y diseño de los elementos estructurales como
columnas y vigas se usará el reglamento AISC 360 y AISC 341. Se realizará una
verificación por pandeo local de los elementos, y un diseño a flexión para el caso
de las vigas, y uno a compresión y flexo compresión para el caso las columnas.
El análisis espectral se realizará mediante el programa ETABS 2016 utilizando
un espectro de diseño basado en los factores de la norma NEC 2015, en su capítulo
de Peligro Sísmico NEC-SE-DS 2015; con la cual se obtendrá una respuesta
dinámica, que brindará un idea de cómo el edificio se comportará ante un
movimiento telúrico, para poder así garantizar un desempeño sismorresistente de
la estructura.
Se aplicará un análisis dinámico modal espectral, y se verificarán datos como el
período fundamental de la estructura, los modos de vibración, las derivas de piso,
los desplazamientos laterales máximos, las fuerzas de corte, y demás parámetros
que cumplan con el capítulo de peligro sísmico de la norma NEC-SE-DS 2015. Para
el diseño de acero se verificará la relación “Demanda/Capacidad” de los elementos
estructurales y la relación Columna Fuerte - Viga Débil.
6
1.5 Delimitación del tema
Para la estructura de ocho niveles se realizará el diseño solo de la
superestructura, excluyendo el diseño de la cimentación. Además, este trabajo de
titulación se centrará en el diseño y análisis sismorresistente de la estructura, no
en su costo, por lo que no se realizará un presupuesto para este proyecto.
La edificación está destinada para ser un hotel, construido con acero estructural,
ubicado en la ciudad de Guayaquil. El análisis y diseño estará basado en las
normas NEC-SE-DS 2015, y los reglamentos AISC 360 y AISC 341. La estructura
se diseñará como un sistema de pórticos especiales resistentes a momento (SMF).
El material será acero ASTM A36 y los elementos estructurales se diseñarán con
perfiles IPE para las vigas, y perfiles tubulares cuadrados para las columnas. Para
la losa, esta será modelada en ETABS 2016 como una membrana de 0.001 m de
espesor, y la carga de la losa Steel Deck será añadida al peso de sobrecarga.
Se realizará un análisis dinámico modal espectral para conocer la respuesta de
la estructura ante un sismo. Para la elaboración del espectro de respuesta, se
asignará un suelo tipo “D”, en base a una perforación previamente obtenida de la
zona de construcción, la cual especifica que el suelo sobre el que se asentaría la
estructura, es un suelo intermedio o rígido, pues presenta arenas limosas de
compacidad muy densa y arcillas con arena de consistencia dura, con un
incremento gradual de las propiedades mecánicas con la profundidad.
A continuación se muestra el sondeo realizado en el año 2015, por la empresa
GEOESTUDIOS S.A. En este se utilizó el método de Percusión-Rotación-Lavado y
se llegó hasta una profundidad de 50.12 metros, arrojando los siguientes
resultados:
8
Ilustración 1: Tabla de Perforación suelo Tipo “D” en Guayaquil (Continuación)
Fuente: GEOESTUDIOS S.A., (2015)
9
Ilustración 1: Tabla de Perforación suelo Tipo “D” en Guayaquil (Continuación)
Fuente: GEOESTUDIOS S.A., (2015)
10
Ilustración 1: Tabla de Perforación suelo Tipo “D” en Guayaquil (Continuación)
Fuente: GEOESTUDIOS S.A., (2015)
11
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 Introducción
El acero estructural es un material que se caracteriza por presentar una
resistencia, rigidez y ductilidad elevadas. Estas propiedades lo convierten en un
material muy recomendable para construcciones sismorresistentes, por lo que en
los últimos años ha aumentado significativamente su uso en las obras civiles del
país.
Construir estructuras de acero de varios niveles sobre suelos blandos y zonas
potencialmente sísmicas, requiere un diseño y análisis sismorresistente que
garantice un comportamiento seguro del edificio ante un sismo.
El diseño estructural debe basarse según las características arquitectónicas del
edificio, además de cumplir con un análisis eficiente y acorde a lo reglamentado en
las normas vigentes.
Ilustración 2: Sistema estructural de un edificio en acero
Fuente: ALACERO, (2018)
12
2.2 ¿Qué es el acero?
El Acero es básicamente una aleación de hierro y carbono. Además se agregan
pequeñas cantidades de otros elementos como silicio, fósforo, azufre y oxígeno,
que le dan características específicas. (Estructuras de Acero, 2007).
Mientras más carbono se agregue a la aleación, aumentará la resistencia y
disminuirá la ductilidad del producto. Es por eso que su uso se limita a pequeñas
cantidades (entre 0,05% hasta 2% de carbono) pues es preferible un material más
dúctil que se deforme al llegar al rango inelástico sobre uno demasiado rígido que
se fracture al sobrepasar el rango elástico.
2.2.1 Proceso de fabricación del acero.
Se parte de minerales de hierro, los cuales en hornos a altas temperaturas,
se transforman en arrabio (hierro con un 4 % de carbono). El arrabio es duro
pero muy frágil, para reducir el porcentaje de carbono sin perder resistencia se
afina el arrabio en convertidores (se quema el carbono sobrante), obteniéndose
el acero en bruto con un porcentaje de carbono en torno al 2%. (Acero
Estructural, Proceso de Fabricación, 2016)
Después el material pasa por un proceso de acabado. El más usado es la
laminación, que convierte el acero en bruto a altas temperaturas en elementos
de diferentes perfiles utilizados en la construcción (perfiles I, T, canal, entre
otros).
Se usan laminadoras, formadas por trenes de laminación (cilindros paralelos),
que dan forma al acero de manera progresiva con un cierto número de pasadas.
13
Ilustración 3: Proceso de Fabricación de Acero
Fuente: https://www.slideshare.net/MarceloLescano/produccion-de-hierro-y-acero
Ilustración 4: Laminación de Acero Fuente: https://www.ecured.cu/Laminación
14
2.3 Ventajas y desventajas del acero
2.3.1 Ventajas.
• Alta resistencia.- Por su alta resistencia, no es necesario usar miembros
de grandes dimensiones, así las estructuras de acero tendrán un peso
menor comparado con las de hormigón armado.
• Durabilidad.- Las propiedades del acero no cambian demasiado con el
tiempo y con un adecuado mantenimiento durarán indefinidamente.
• Ductilidad.- Al ser dúctil, se alerta con grandes deformaciones antes de
producirse una falla, evitando así fracturas y fallas sin previo aviso.
• Rapidez de montaje y facilidad para unir diversos elementos por medio de
conexiones como son la soldadura, los tornillos y los remaches.
• Miembros prefabricados en diferentes tamaños y formas.
• Posible reutilización después de desmontar una estructura.
2.3.2 Desventajas.
• Corrosión.- Este tipo de materiales pueden presentar problemas de
corrosión dependiendo del lugar y los agentes corrosivos externos
(Estructuras Metálicas - Ventajas e Inconvenientes, 2012). Una forma de
protegerlos es aplicando pinturas anticorrosivas.
• Incendios.- El acero estructural pierde resistencia y se debilita a altas
temperaturas (500° C). Es conveniente recubrir las estructuras con
morteros especiales, paneles o pinturas de protección ante el fuego.
• Pandeo.- Se presenta en miembros esbeltos sometidos a compresión.
Deben diseñarse para ser compactos y evitar así estos fenómenos.
• Costo económico de la estructura y su posterior mantenimiento.
15
2.4 Propiedades mecánicas del acero
Para el diseño de miembros de acero, una de los propiedades mecánicas más
importantes es la tensión de fluencia mínima, Fy, que se refiere al esfuerzo de
tensión a partir del cual el material incursiona en el rango inelástico, y las
deformaciones se vuelven permanentes. Adicionalmente, en la gráfica esfuerzo-
deformación del acero se puede obtener la resistencia de tracción, Fu, que es el
máximo esfuerzo de tracción que soporta el material previo a la rotura.
Otro parámetro importante es el módulo de elasticidad, E, que representa el
comportamiento elástico del material. Se obtiene dividiendo el esfuerzo de tensión
sobre la deformación unitaria. Este valor es constante para todos los grados de
acero estructural, E=2100000 Kg/cm².
Ilustración 5: Diagrama Esfuerzo-Deformación del Acero Fuente: http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/10/propiedades-del-acero.html
El mínimo esfuerzo de fluencia especificado, Fy, que debe tener el acero
utilizado en miembros en los cuales se espera comportamiento inelástico no debe
exceder de 345 MPa (50 ksi). Esta limitación no es aplicable para las columnas, en
estos casos el mínimo esfuerzo de fluencia especificado no debe exceder 450 MPa
(65 ksi). (NEC-SE-AC, 2015)
16
2.5 Grados de acero estructural
Es fundamental que el ingeniero estructural se asegure de las propiedades de
los materiales, para así poder garantizar que estas satisfagan el diseño.
Un gran número de grados de acero estructural están disponibles para los
perfiles, placas y perfiles huecos estructurales en el mercado. La ASTM aprobó las
normas para las placas y laminados en caliente que son A 36, A 53, A 529, A 572,
A 242, A 588, A 709, A 500, A 501, A 852, A 514, A 913 y A 992. (GERDAU CORSA,
2018)
Tabla 1: Propiedades de Tensión Especificadas por las norma ASTM
Nomenclatura Esfuerzo de Fluencia (Fy) Resistencia a la Tensión (Fu)
ASTM MPa Kg/cm2 MPa Kg/cm2
A 36 250 2530 400 a 550 4080 a 5620
A 529 345 3515 485 4950
380 3880 485 4950
A 242 320 3235 460 4710
345 3515 485 4920
290 2950 414 4220
A 572 345 3515 450 4570
414 4220 515 5270
450 4570 550 5620
A 992 345 3515 450 a 620 4570 a 6330
A 53 240 2460 414 4220
A 500 320 3235 430 4360
A 501 250 2530 400 4080
A 588 345 3515 483 4920
A 709 250 2550 400 4080
345 3515 450 4590
485 4950 585 5965
690 7036 585 7750
620 6322 690 7040
A 913 345 a 483 3515 a 4920 448 a 620 4570 a 6330
Fuente: GERDAU CORSA, (2018)
17
Ilustración 6: Curvas esfuerzo-deformación de algunos grados de acero
Fuente: GERDAU CORSA, (2018)
2.6 Resistencia probable del material
Los procedimientos de diseño para varios sistemas estructurales (por ejemplo,
pórticos especiales a momento, pórticos especiales arriostrados concéntricamente
y pórticos arriostrados excéntricamente) consisten en la aplicación del método de
“Diseño por Capacidad”.
En este método se considera la capacidad esperada del acero, y no su
resistencia mínima de diseño. Para ello se utilizan factores de sobrerresistencia
que aumentan los esfuerzos “Fy” y “Fu”, a fin de trabajar con la resistencia probable
que alcanzaría el material en la realidad.
2.6.1 Factores de sobrerresistencia.
Para calcular el aumento de la resistencia de diseño a una resistencia real o
esperada de los elementos estructurales, se define el factor Ry como la relación
entre la tensión de fluencia probable y la tensión mínima de fluencia, Fy.
18
El mismo criterio se aplica para el caso de fractura, en el cual se define el
factor Rt como la relación entre la resistencia de tracción probable y la resistencia
Fu.
𝑭𝒚𝒑 = 𝑹𝒚 𝑭𝒚 (2 − 1)
Donde:
𝐹𝑦𝑝 = Esfuerzo de fluencia probable
𝐹𝑦 = Esfuerzo mínimo de fluencia
𝑅𝑦 = Factor de esfuerzo de fluencia probable
𝑹𝒕𝒑 = 𝑹𝒕 𝑭𝒖 (2 − 2)
Donde:
𝑅𝑡𝑝 = Resistencia a la tensión probable
𝐹𝑢 = Resistencia mínima a la tensión
𝑅𝑡 = Factor de resistencia a la tensión probable
Ilustración 7: Curvas tensión-deformación con la respuesta mínima esperada y especificada
Fuente: ALACERO, (2018)
19
Estos dos factores, que cuantifican la sobrerresistencia del material, deben
determinarse estadísticamente a partir de información experimental obtenida del
ensayo de probetas de acero, por lo cual sus valores podrían cambiar de un país
a otro. (ALACERO, 2018)
Ilustración 8: Valores de los factores Ry y Rt
Fuente: AISC 341, (2016)
20
2.7 Perfiles de acero estructural
En el Ecuador los perfiles de acero estructural se venden bajo pedido, a
diferencia de otros países donde es más común la construcción de estructuras con
acero, y por ende la demanda de perfiles laminados aumenta, siendo desarrollados
con mayor frecuencia.
Por eso es importante que el diseñador conozca los diferentes tipos de perfiles
que existen en el mercado, sus formas y características; para así saber cuáles
puede utilizar, pensando siempre en la economía, facilidad de construcción y
comportamiento óptimo de los elementos.
2.7.1 Perfil tipo H o I.
Perfil de acero laminado en caliente, que tiene una sección en forma de H o
de I. Existen varias denominaciones como el perfil IPN, IPE, HEB o HEA. Se usa
en la fabricación de elementos estructurales como vigas, columnas, cimbras
metálicas, etc, sometidas predominantemente a flexión o compresión.
(PERFILES ESTRUCTURALES DE ACERO, 2013)
Ilustración 9: Perfiles de acero estructural tipo H e I
Fuente: DIPAC, (s.f.)
21
2.7.2 Perfil tipo U o canal.
El perfil tipo U o canal como su nombre lo dice tiene la forma de una U o un
canal, son conocidas también como perfil UPN. Son usadas en vigas y columnas
uniendo dos perfiles, también en viguetas y en cerchas.
Ilustración 10: Perfil de acero estructural tipo U
Fuente: DIPAC, (s.f.)
2.7.3 Perfil tipo L o ángulo.
Puede ser de lados iguales o desiguales, se usa en dinteles, columnas, vigas
de rendimiento, estructuras secundarias y techados de grandes luces. (Perfiles
de Acero Estructural, 2018)
Ilustración 11: Perfil de acero estructural tipo L
Fuente: DIPAC, (s.f.)
22
2.7.4 Perfil T.
Normalmente son las secciones de ala ancha de un perfil HEB o IPE, que se
cortan por la mitad para formar una sección “T”. Se utiliza para dinteles, vigas,
tirantes y columnas. (Perfiles de Acero Estructural, 2018)
Ilustración 12: Perfil de acero estructural tipo T
Fuente: DIPAC, (s.f.)
2.7.5 Tubo de acero de sección hueca.
Estas secciones pueden ser cuadradas, rectangulares o circulares.
Frecuentemente son usadas como columnas, aunque también su uso puede ser
para vigas, cerchas y demás.
Ilustración 13: Tubo de acero de sección hueca cuadrado y circular
Fuente: DIPAC, (s.f.)
23
2.8 Métodos de diseño en acero
2.8.1 Método de las tensiones admisibles, ASD.
El método ASD (Allowable Strength Design) se basa en verificar que las
tensiones inducidas en los elementos estructurales no excedan una tensión
admisible, la que resulta de dividir la resistencia del material por un factor de
seguridad Ω. (ALACERO, 2018)
𝑹𝒂 ≤𝑹𝒏𝜴⁄ (2 − 3)
Donde:
𝑅𝑎 = Resistencia requerida
𝑅𝑛 = Resistencia nominal
𝛺 = Coeficiente de seguridad
2.8.2 Método de factores de carga y resistencia, LRFD.
El método LRFD (Load and Resistance Factor Design) se basa en la
evaluación de una serie de estados límites, los cuales se dividen en dos grupos:
2.8.2.1 Estados límites de servicio, ELS.
Busca asegurar el funcionamiento de la estructura para condiciones de
servicio. Si no se cumplen estos límites pueden producirse daños en elementos
arquitectónicos como puertas y ventanas, afectando al uso normal de la
construcción y causando molestias a sus ocupantes.
Un ejemplo es el límite de deflexión vertical en vigas cuando se someten a
cargas de servicio (L/360 para vigas de entrepisos, y L/200, para vigas de
cubierta) (ASCE/SEI7, 2010).
24
2.8.2.2 Estados límites de resistencia o últimos, ELU.
Se relaciona con la capacidad que tienen los elementos de resistir cargas
últimas; previniendo daños graves en los miembros y buscando la seguridad
estructural ante un evento sísmico.
La verificación de los estados límites se basa en que la resistencia requerida
sea menor a la resistencia de diseño. Este criterio puede expresarse
matemáticamente a través de la siguiente expresión:
𝜮𝝀𝒊𝑸𝒊 ≤ ∅𝑹𝒏 (2 − 4)
Donde:
𝛴 = Sumatoria para los diferentes tipos de carga
𝑄𝑖 = Distintas cargas o sobrecargas de servicio
𝜆𝑖 = Factores de mayoración de carga
𝛴𝜆𝑖𝑄𝑖 = Resistencia requerida
∅ = Factor de resistencia correspondiente al estado límite
𝑅𝑛 = Resistencia nominal
∅𝑅𝑛 = Resistencia de Diseño
Tabla 2: Valores del factor de resistencia ø para miembros de acero
Caso Estado límite de resistencia Factor de
resistencia (ø)
Miembros
traccionados
Fluencia en el área bruta 0.90
Rotura en el área neta 0.75
Miembros
comprimidos
Pandeo flexional 0.90
Pandeo torsional o flexo-torsional
Pandeo local
Miembros
flexionados
Fluencia 0.90
Pandeo lateral-torsional
Pandeo local de ala
Pandeo local de alma
Fluencia por compresión o tracción del ala
Miembros
sometidos a corte
Fluencia por corte 0.90
Pandeo de alma
Fuente: ALACERO, (2018)
25
2.9 Sistemas estructurales para construcciones de acero
Mediante investigaciones y experiencia obtenida a lo largo del tiempo, la
construcción de estructuras de acero ha evolucionado. Con el objetivo de optimizar
el uso del material y garantizar la seguridad ante eventos sísmicos, se han
desarrollado distintos tipos de estructuras sismorresistentes, las cuales varían tanto
en su comportamiento estructural, como en su proceso constructivo, funcionalidad
y economía.
Por eso el ingeniero debe seleccionar el sistema estructural adecuada para una
edificación, dependiendo de los requisitos particulares de cada obra.
Ilustración 14: Clasificación de los sistemas estructurales sismorresistentes para construcciones de acero, según AISC 341-16
Fuente: ALACERO, (2018)
26
2.9.1 Pórticos resistentes a momento.
Los pórticos resistentes a momento son uno de los sistemas estructurales
usados con mayor frecuencia para diseñar edificios en acero estructural. Son
pórticos formados por la unión de vigas y columnas, las cuales estarán
sometidas a momentos flectores y esfuerzos de corte que controlan su diseño.
Las conexiones deben ser lo suficientemente rígidas para resistir la formación
de rótulas plásticas en las vigas, sin que la capacidad estructural se vea
afectada.
Sus principales ventajas son su versatilidad arquitectónica, ya que no hace
falta colocar componentes estructurales que puedan causar obstrucciones, así
como su alta ductilidad. Por otra parte, el principal limitante de este sistema es
que tiene poca rigidez lateral, lo cual implica que sus derivas son mayores a las
de otros sistemas. (GUIA 3 ACERO, 2016)
Ilustración 15: Pórticos resistentes a momento y su comportamiento ante cargas sísmicas
Fuente: ALACERO, (2018)
27
2.9.2 Pórticos arriostrados concéntricamente.
Los pórticos arriostrados concéntricamente son sistemas estructurales donde
se incorporan riostras diagonales al pórtico, y son estas las que brindan
resistencia durante la acción sísmica. Son llamados arriostramientos
concéntricos debido a que los ejes de los elementos diagonales se unen en un
mismo punto, a diferencia de los arriostramientos excéntricos.
Los arriostramientos deben ser diseñados para disipar las cargas sísmicas de
manera dúctil, mediante la formación de nudos plásticos. Mientras que las vigas
y las columnas, son diseñadas para comportarse de forma elástica.
Los sistemas con arriostramientos concéntricos son muy efectivos resistiendo
sismos, y dado a que se comportan como una armadura, tienen una alta rigidez
lateral. La principal desventaja de este tipo de sistema es que tiene una menor
versatilidad, desde el punto de vista arquitectónico. (GUIA 3 ACERO, 2016)
Ilustración 16: Estructura de pórticos arriostrados concéntricamente
Fuente: ALACERO, (2018)
28
Ilustración 17: Tipos más comunes de pórticos con arriostramientos concéntricos
Fuente: NEC-SE-AC, (2015)
Ilustración 18: Comportamiento de un pórtico con arriostramiento concéntrico ante un sismo
Fuente: GUIA 3 ACERO, (2016)
29
2.9.3 Pórticos arriostrados excéntricamente.
Surgen en la década de 1970 como un sistema que trata de combinar las
ventajas de los dos anteriores (ductilidad y rigidez lateral elevada),
contrarrestando sus debilidades (altas derivas y pandeo de riostras
comprimidas). (ALACERO, 2018)
En los pórticos arriostrados excéntricamente, los ejes de las riostras no se
juntan en la viga, formando una excentricidad. Estas zonas, llamadas enlaces o
eslabones, son las que proveen de ductilidad al sistema y se diseñan para disipar
la carga sísmica. En cambio el resto de los miembros estructurales se diseñan
para responder de manera elástica.
Ilustración 19: Estructura de pórticos con arriostramientos excéntricos
Fuente: ALACERO, (2018)
Ilustración 20: Detalle del enlace en un pórtico con arriostramientos excéntricos
Fuente: ALACERO, (2018)
30
Ilustración 21: Tipos más comunes de pórticos con arriostramientos excéntricos
Fuente: NEC-SE-AC, (2015)
Ilustración 22: Comportamiento de un pórtico con arriostramiento excéntrico ante un sismo
Fuente: GUIA 3 ACERO, (2016)
31
2.10 Métodos de diseño sismorresistente
La frecuencia con la que ocurren los sismos es baja, pero sus consecuencias en
cambio son devastadoras, tanto por la destrucción como por el sufrimiento que
provocan. La humanidad ha sufrido a través de la historia las consecuencias
destructivas de los terremotos, incluido el Ecuador, que se encuentra ubicado en
una zona de alto peligro sísmico, el Cinturón de Fuego del Pacífico.
Actualmente para reducir los problemas ocasionados por los sismos y su efecto
sobre las construcciones, los ingenieros estructurales pueden recurrir a varias
soluciones, como el uso de distintos tipos de materiales, sistemas estructurales
dúctiles, y metodologías de diseño y análisis sismorresistente.
2.10.1 Diseño por capacidad.
El diseño por capacidad se basa en los siguientes aspectos:
• Seleccionar los miembros “fusibles” que entrarán en cedencia ante un
evento sísmico, por ejemplo: las vigas en pórticos resistentes a
momento (SMF), los arriostramientos en pórticos con arriostramientos
concéntricos (SCBF), o los enlaces en pórticos con arriostramientos
excéntricos (EBF).
Ilustración 23: Miembros fusibles en sistemas estructurales SMF, SCBF Y EBF
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
32
• Los elementos “fusibles” deben ser diseñados para disipar energía de
forma dúctil y estable; mediante “rótulas plásticas”, zonas donde el
sismo induce deformaciones inelásticas previo a la fractura.
• Los demás componentes estructurales se protegen de fallas dúctiles
diseñándolos con una resistencia mayor que los miembros “fusibles”,
así estos últimos desarrollarán las deformaciones plásticas.
• Las conexiones de los miembros “fusibles” deben diseñarse en función
de la capacidad inelástica esperada en estos. Mientras que las
conexiones en el resto de elementos se diseñan para las fuerzas
producidas por las rótulas plásticas esperadas en los “fusibles”.
2.10.2 Diseño basado en desempeño.
Los criterios tradicionales de la ingeniería sísmica se centran en salvar vidas,
lo que implica evitar el colapso de la construcción. Sin embargo, aunque el
edificio quede en pie, el nivel de daño puede ser tan alto que se deba demoler
la estructura, provocando pérdidas económicas elevadas. Es por esta situación
que en los criterios modernos se busca evitar daños en los elementos
estructurales, diseñándolos para soportar un cierto nivel de amenaza sísmica,
en relación al objetivo de desempeño esperado.
Ilustración 24: Niveles de Amenaza Sísmica
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
33
Desde el año 1995 se propuso formalmente el uso del diseño basado en
desempeño, en el documento VISION 2000. En este se definen cuatro objetivos
de desempeño (ALACERO, 2018):
• Totalmente operativo (TO): La construcción se mantiene en servicio
continuo. Daños despreciables en la estructura.
• Operativo (O): La mayoría de las actividades y servicios pueden
reanudarse luego del sismo. Daño ligero en elementos estructurales.
• Seguridad de vidas (SV): La estructura permanece estable, pero con
reducción en la resistencia y rigidez. El edificio puede quedar fuera de
servicio y ser evacuado.
• Prevención de colapso (PC): Daño severo, pero se evita el colapso.
Ilustración 25: Relación amenaza sísmica - objetivos de desempeño, VISION 2000.
Fuente: ALACERO, (2018)
Tabla 3: Relación entre niveles de desempeño y distorsión de piso (Biddah y Heidebrecht, 1998).
Nivel de desempeño Distorsión de piso (∆M)
Totalmente operativo < 0,2%
Operativo 0,2% a 0,5%
Seguridad de vidas 0,5% a 1,5%
Prevención del colapso 1,5% a 2.5%
Fuente: ALACERO, (2018)
34
2.11 Filosofía de diseño sismorresistente según NEC-15
• Las estructuras deben resistir a todos los terremotos pequeños y frecuentes
que puedan ocurrir durante su vida útil, sin que se produzcan daños en
elementos estructurales y no estructurales.
• Ante terremotos moderados y poco frecuentes, se deben prevenir daños
graves en los elementos estructurales, y se permiten daños controlables en
los no estructurales.
• Se busca salvaguardar la vida de las personas ante terremotos severos que
puedan ocurrir rara vez, produciéndose daños considerables en la estructura,
pero evitando su colapso.
Ilustración 26: Síntesis de la filosofía de diseño sismorresistente
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
Para lograr cumplir esta filosofía, la estructura debe diseñarse para que:
• Tenga la capacidad de resistir las cargas especificadas en la norma (NEC-
SE-DS, 2015).
• Se produzcan derivas de piso inferiores a las admisibles.
Ilustración 27: Valores de ∆M máximos
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
35
• Pueda disipar energía de deformación plástica (ductilidad) mediante el uso
del método de “Diseño por Capacidad” o con la implementación de
dispositivos antisísmicos.
2.12 Determinación de cargas sísmicas
Durante un sismo, el suelo entra en movimiento con aceleraciones üg (t). Estas
aceleraciones excitan la masa, m, de la estructura, que generalmente se encuentra
concentrada al nivel de la losa. Así mismo, hay un segundo tipo de carga asociado
al movimiento de la estructura, que se debe al amortiguamiento inherente que tiene
la misma. (GUIA 3 ACERO, 2016)
Ilustración 28: Representación esquemática de una estructura ante un sismo
Fuente: GUIA 3 ACERO, (2016)
El comportamiento que se produce en la estructura por la aparición de estas
fuerzas, puede representarse a través de la ecuación de movimiento:
𝒎 + 𝒄 + 𝒌𝒖 = −𝒎𝒈(𝒕) (2 − 5)
Donde:
𝑚 = masa de la estructura
𝑐 = coeficiente de amortiguamiento
𝑘 = rigidez de la estructura
36
𝑢 = desplazamiento lateral
= velocidad de movimiento de la estructura
= aceleración de la estructura
−𝑚𝑔(𝑡) = fuerza efectiva producida por el sismo
𝑘𝑢 = fuerzas internas a las cuáles están sometidos los componentes estructurales debido al sismo
Una forma de determinar las cargas sísmicas es justamente resolver la ecuación
de movimiento en función del tiempo, t. Sin embargo, esto requiere una integración
de la ecuación, volviéndolo un método complejo comparado con otros más fáciles
de aplicar y que cumplen con el mismo propósito.
2.12.1 Método de diseño basado en fuerzas (DBF).
El capítulo (NEC-SE-DS, 2015) ofrece varias alternativas para calcular las
cargas sísmicas y sus efectos. Uno de los más usados es el método de las
fuerzas equivalentes, o Diseño Basado en Fuerzas (DBF). En este método, el
efecto del sismo se representa como una carga lateral llamada cortante basal
Vb, que produce fuerzas internas en la estructura. A su vez, este cortante basal
forma el momento Mb, que causa cargas axiales de tracción y compresión en las
columnas. (GUIA 3 ACERO, 2016)
Ilustración 29: Representación del diseño basado en fuerzas (DBF)
Fuente: GUIA 3 ACERO, (2016)
37
2.13 Estructuras de acero ante eventos sísmicos
Es importante que se construyan estructuras viables desde los puntos de vista
arquitectónico, económico, funcional y de seguridad. Por eso no es recomendable
diseñar estructuras que se comporten elásticamente, pues éstas deberían ser
mucho más resistentes que una estructura de comportamiento inelástico, a un nivel
que se vuelve inviable económica y funcionalmente.
En realidad, lo más óptimo es diseñar estructuras que puedan deformarse de
manera dúctil, disipando la energía sísmica por medio de la deformación plástica
de sus componentes. Esto se obtiene dimensionando la estructura para resistir una
carga lateral igual a 𝐹𝑠𝑖𝑠𝑚𝑜/𝑅, en donde R es un factor que varía dependiendo del
nivel de ductilidad de la estructura. Otro factor que debe ser controlado es la deriva
provocada por las cargas laterales, para evitar estructuras demasiado flexibles. La
(NEC-SE-DS, 2015) limita la deriva al 2% de la altura del piso.
Ilustración 30: Comportamiento de un sistema elástico e inelástico ante un sismo
Fuente: GUIA 3 ACERO, (2016)
38
2.14 Factores de desempeño
Una forma de establecer el comportamiento inelástico de la estructura es
diseñarla con un análisis elástico, al cual se le aplican los factores de desempeño,
R, Cd y Ω0. El factor de reducción de la carga sísmica R permite disminuir la fuerza
del sismo de diseño para que los elementos incursionen en el rango inelástico y
desarrollen deformaciones plásticas. El factor de amplificación de deflexiones Cd
permite estimar la deriva inelástica multiplicando este factor por el desplazamiento
elástico reducido. Y el factor de sobrerresistencia Ω0, brinda una idea de la
verdadera resistencia de la estructura en el rango inelástico.
Tabla 4: Factores de desempeño para diferentes sistemas estructurales
Sistema Estructural R Cd Ω0
Pórticos resistentes a momento (SMF, IMF, OMF) 8 5.5 3
Pórticos con arriostramientos concéntricos (SCBF, OCBF) 6 5 2
Pórticos con arriostramientos excéntricos (EBF) 8 4 2
Fuente: ASCE/SEI7, (2010)
Ilustración 31: Ilustración de los factores de desempeño
Fuente: GUIA 3 ACERO, (2016)
39
2.15 Relación de ancho/espesor
Es importante evitar que se produzcan fallos por pandeo local en los miembros
estructurales para que estos puedan desempeñarse correctamente y desarrollen
un comportamiento dúctil. Por eso es clave revisar la relación ancho/espesor de los
elementos para priorizar el uso de secciones compactas.
Ilustración 32: Relaciones máximas de ancho/espesor
Fuente: AISC 341, (2016)
41
CAPITULO III
ASPECTOS METODOLÓGICOS
3.1 Filosofía para el diseño de estructuras de acero
En el capítulo (NEC-SE-AC, 2015) se establece la filosofía de diseño en la cual
una estructura de acero, se conforma regularmente de dos tipo de pórticos: pórticos
gravitacionales localizados interiormente, y pórticos resistentes a momento
localizados en el perímetro del edificio.
Ilustración 33: Planta de edificio de acero estructural compuesto por Pórticos Resistentes a Momento y Gravitacionales
Fuente: NEC-SE-AC, (2015)
Esta filosofía de diseño es eficiente para estructuras de hasta 5 o 6 niveles, sin
embargo para edificios de mayor altura ubicados en zonas de riesgo sísmico, no
es muy recomendable. Por lo tanto en este proyecto de titulación se ha
considerado, para una mayor seguridad, realizar un diseño en el cual todos los
pórticos sean resistentes a momento.
42
3.1.1 Procedimiento general de diseño.
El procedimiento que se seguirá en este trabajo de titulación para realizar el
diseño de una estructura de acero de 8 niveles ubicada en la ciudad de
Guayaquil, es primero calcular las cargas gravitacionales de acuerdo al capítulo
(NEC-SE-GC, 2015) y las cargas sísmicas según lo indicado en el capítulo
(NEC-SE-DS, 2015).
Luego se realizará un análisis estructural mediante el software ETABS 2016,
para poder determinar la respuesta de la estructura ante un sismo y las fuerzas
internas que se producen en los miembros.
Finalmente, se diseñan los componentes de pórticos resistentes a cargas
laterales (vigas y columnas) y los elementos que soportan cargas gravitacionales
(vigas de correa, sistema de piso mixto). Además se revisará que se cumpla la
relación columna fuerte-viga débil.
Ilustración 34: Procedimiento general de diseño para estructuras de acero
Fuente: GUIA 3 ACERO, (2016)
43
3.2 Predimensionamiento de elementos estructurales
3.2.1 Predimensionado de vigas.
El predimensionado de vigas se realizará siguiendo la condición de altura de
viga mínima y de las flechas máximas recomendadas.
Ilustración 35: Tabla de altura de viga mínima recomendada para Fy= 2530 Kg/cm²
Fuente: Predimensionado Estructuras de Acero, (2012)
Ilustración 36: Tabla de flechas máximas recomendadas
Fuente: Predimensionado Estructuras de Acero, (2012)
44
3.2.2 Predimensionado de columnas.
El predimensionado de las columnas en un sistema estructural SMF, se
basará en el criterio de columna fuerte-viga débil. Para ello se aplicará la relación
mínima entre los módulos plásticos de la columna y de la viga.
Ilustración 37: Tabla de relación entre módulo plástico de columna y vigas
Fuente: Predimensionado Estructuras de Acero, (2012)
3.2.3 Predimensionado de correas o vigas de transferencia.
El número de las correas depende de la necesidad de arriostramiento lateral
de la viga a la que llegan. En este análisis se dispondrán las vigas a una distancia
entre 1,00 a 1,50 m; orientadas en el sentido X, de manera perpendicular al
sentido de la losa, Y.
El perfil de la viga de correa se predimensiona por su capacidad de soportar
cargas gravitatorias, multiplicando la mayor carga incrementada de servicio (Q)
por el ancho tributario de la correa (at). La capacidad de la sección se determina
por su resistencia al siguiente momento:
45
∅𝑴𝒏 = 𝟎. 𝟗𝟎𝒁𝒙𝑭𝒚 ≥ (𝑸𝒂𝒕)𝑳
𝟐
𝟖 (3 − 1)
Donde:
𝐿 = Longitud de la correa o viga de transferencia
𝑄 = Carga mayorada distribuida por acciones gravitacionales
𝑎𝑡 = Ancho tributario de la correa o viga de transferencia
Para considerar el criterio de flecha máxima se debe respetar el siguiente
parámetro:
𝑳
𝒅≤𝟓𝟔𝟎𝟎𝟎
𝑭𝒚(𝒁𝒙
𝒁𝒓𝒆𝒒) (3 − 2)
Donde:
𝑑 = altura del perfil de la correa o viga de transferencia
𝑍𝑥 = Módulo plástico del perfil de la correa o viga de transferencia
𝑍𝑟𝑒𝑞 = Módulo plástico mínimo que satisfaga la demanda de capacidad
3.2.4 Predimensionado de losa.
La losa se puede predimensionar mediante la relación L/h. A partir de la
distancia entre correas (L) se puede obtener la altura de la losa (h). La altura
mínima recomendada para la losa es de 90 mm y el espesor mínimo del concreto
sobre el sofito metálico 50 mm.
Ilustración 38: Tabla de relación L/h para losas en sistemas de piso
Fuente: Predimensionado Estructuras de Acero, (2012)
46
3.3 Cargas y combinaciones de cargas
3.3.1 Cargas gravitacionales.
3.3.1.1 Cargas permanentes.
Estas comprenden los pesos de todos los elementos estructurales y no
estructurales que integran permanentemente a la edificación. En este proyecto
de titulación se utilizará dos denominaciones de cargas permanentes: carga
muerta “D” constituida por el peso propio de la estructura como son columnas,
vigas, losas, diagonales, y muros; y sobre carga impuesta “SCP” que considera
el peso de paredes, acabados en pisos, tumbados, y demás.
3.3.1.2 Cargas variables.
Estas comprenden los pesos de personas, muebles, equipos y accesorios
móviles o temporales, mercadería en transición, y otras. Se utilizará dos
denominaciones de cargas variables: carga viva “L” que se aplicará sobre la losa
de todos los pisos, excepto para la losa de cubierta; para ésta se usará la carga
viva de techo “CVt” pues en esta la sobrecarga variable será menor que en el
resto de los pisos.
Las sobrecargas que se utilicen en el cálculo dependen de la ocupación a la
que está destinada la edificación:
Tabla 5: Valores de sobrecarga viva mínima para uso residencial.
Ocupación o Uso
Residencias
Carga Uniforme
(KN/m²)
Viviendas (unifamiliares y bifamiliares) 2.00
Hoteles y residencias multifamiliares 2.00
Fuente: NEC-SE-GC, (2015)
47
3.3.2 Cargas sísmicas.
Se tomará en cuenta el efecto de la carga sísmica “E” mediante un análisis
dinámico modal espectral. Se consideran cuatro aspectos principales para
cuantificar la acción sísmica: el riesgo sísmico propio del lugar, el tipo de suelo
donde se asentará la estructura, la importancia de la construcción y el
comportamiento de la estructura frente al sismo.
Los dos primeros aspectos se representan a través de un espectro elástico
de diseño. La importancia de la construcción se cuantifica a través de un factor
“I” que aumenta la carga sísmica según el destino que se le dará a la
infraestructura. Para el comportamiento estructural, se espera que este sea de
manera dúctil ante un sismo, disipando la energía a través de rótulas plásticas;
para ello se utilizará el factor de reducción sísmica, R, que permite diseñar a los
elementos para que incursionen en el rango inelástico.
3.3.3 Combinaciones de cargas.
La estructura y sus miembros deben ser diseñados para resistir los efectos de
las cargas mayoradas (cargas gravitacionales, y cargas laterales producidas por
el sismo), de acuerdo a las siguientes combinaciones:
𝟏) 𝟏. 𝟒𝑫 + 𝟏. 𝟒𝑺𝑪𝑷
𝟐) 𝟏. 𝟐𝑫 + 𝟏. 𝟐𝑺𝑪𝑷 + 𝟏. 𝟔𝑳 + 𝟎. 𝟓𝑪𝑽𝒕
𝟑) 𝟏. 𝟐𝑫 + 𝟏. 𝟐𝑺𝑪𝑷 + 𝟏. 𝟔𝑪𝑽𝒕 + 𝑳
𝟒) 𝟏. 𝟐𝑫 + 𝟏. 𝟐𝑺𝑪𝑷 + 𝑳 + 𝟎. 𝟓𝑪𝑽𝒕
𝟓) (𝟏. 𝟐 + 𝟎. 𝟐𝑺𝑫𝑺)𝑫 + (𝟏. 𝟐 + 𝟎. 𝟐𝑺𝑫𝑺)𝑺𝑪𝑷 + 𝜸𝑳 + 𝟏. 𝟎 𝑬
𝟔) (𝟎. 𝟗 − 𝟎. 𝟐𝑺𝑫𝑺)𝑫 + (𝟎. 𝟗 − 𝟎. 𝟐𝑺𝑫𝑺)𝑺𝑪𝑷+ 𝟏. 𝟎 𝑬 (3 − 3)
Para las combinaciones 3 y 4 se puede reducir la carga viva a 0.5L si L<=4.8
kN/m². (NEC-SE-GC, 2015)
48
3.4 Espectro elástico de diseño
La (NEC-SE-DS, 2015) proporciona el espectro de respuesta elástico de
aceleraciones Sa, para el nivel del sismo de diseño.
Ilustración 39: Espectro elástico de aceleraciones que representa el sismo de diseño.
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
49
La aceleración (Sa) se determina de acuerdo al rango en el espectro al que
pertenece el periodo fundamental de vibración estructural T.
Ilustración 40: Ecuaciones para obtener la aceleración (Sa) del espectro de diseño.
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
El período límite de vibración Tc se obtiene mediante las siguiente expresión:
𝑻𝒄 = 𝟎. 𝟓𝟓𝑭𝒔𝑭𝒅
𝑭𝒂 (3 − 4)
Se definen los valores de “ɳ”, los cuales varían dependiendo de la región del
Ecuador:
• ɳ = 1.80 Provincias de la Costa (excepto Esmeraldas)
• ɳ = 2.48 Provincias de la Sierra, Esmeraldas y Galápagos
• ɳ = 2.60 Provincias del Oriente
50
3.4.1 Zonificación sísmica del Ecuador y factor Z.
El sitio donde se va a construir la estructura determinará una de las seis zonas
sísmicas del Ecuador, caracterizada por el valor del factor de zona Z, de acuerdo
al mapa de zonificación sísmica para diseño, que proviene del resultado del
estudio de peligro sísmico para un 10% de excedencia en 50 años (período de
retorno 475 años). (NEC-SE-DS, 2015)
Ilustración 41: Mapa de zonificación sísmica del Ecuador
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
Ilustración 42: Valores del factor Z en función de la zona sísmica adoptada
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
51
3.4.2 Tipos de perfiles de suelos.
La realización del espectro de diseño depende del tipo de suelo donde se va
a construir la estructura. Se definen seis tipos de perfiles de suelos:
Ilustración 43: Clasificación de los perfiles de suelo
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
52
3.4.3 Coeficientes de perfil de suelo Fa, Fd y Fs.
La (NEC-SE-DS, 2015) presenta tablas de los valores de coeficientes de
amplificación de suelo Fa, Fd y Fs.
Ilustración 44: Fa, Coeficiente de amplificación de suelo en zona de período corto
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
Ilustración 45: Fd, Coeficiente de amplificación de las ordenadas del espectro elástico
de respuesta de desplazamientos para diseño en roca
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
53
Ilustración 46: Fs, Coeficiente del comportamiento no lineal de los suelos
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
3.5 Categoría de edificio y coeficiente de importancia I
La estructura que se analizará en este proyecto puede clasificarse en una de las
categorías de edificio en función del tipo de uso o importancia de la edificación,
estableciendo el coeficiente de importancia I.
Ilustración 47: Categorización y coeficiente de importancia de la estructura
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
54
3.6 Coeficientes de configuración estructural
Los coeficientes de configuración estructural buscan dotar de mayor resistencia
a la estructura, incrementando el cortante basal de diseño.
3.6.1 Regularidad en planta y elevación.
Lo más recomendado para un adecuado desempeño sísmico es que la
configuración estructural del edificio que se va a construir sea lo más simple y
regular posible. Una estructura puede ser considerada regular en planta y en
elevación si presenta las siguientes configuraciones:
Ilustración 48: Tabla de configuraciones estructurales regulares en planta y elevación
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
Los coeficientes en planta (øPi) y en elevación (øEi) son iguales a 1, puesto
que al ser estructuras regulares no hace falta incrementar el valor del cortante
basal.
55
3.6.2 Irregularidades.
Las irregularidades pueden producir comportamientos deficientes en la
estructuras frente a un sismo. Es por esto que se utilizan factores de
configuración estructural (en planta øPi, y en elevación øEi), que se multiplican
por el coeficiente de reducción R, con el objetivo de tomar en cuenta dichas
irregularidades en el diseño.
Ilustración 49: Tabla de configuraciones y coeficientes de irregularidad en planta
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
56
Ilustración 50: Tabla de configuraciones y coeficientes de irregularidad en elevación
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
La estructura que se analizará en este proyecto de titulación presenta dos
tipos de irregularidades en su configuración estructural: una en planta que son
retrocesos excesivos en las esquinas, y otra en elevación que entraría dentro de
irregularidad geométrica.
Por lo tanto, para este proyecto se utilizará un coeficiente en planta øPi=0.9 y
uno en elevación øEi=0.9 para brindar de mayor resistencia a la estructura.
57
3.7 Ductilidad y factor de reducción R
El factor R permite reducir las fuerzas sísmicas de diseño, y depende del tipo de
sistema estructural que se vaya a implementar y del nivel de ductilidad con el que
se desea diseñar para que desarrolle deformaciones plásticas.
Ilustración 51: Valores del coeficiente de reducción R para sistemas estructurales dúctiles
Fuente: NEC-SE-DS, (2015)
Este proyecto de titulación analizará una estructura de pórticos resistentes a
momentos de acero estructural, por lo que el valor R que debería tomarse es R=8.
Sin embargo se considera que reducir la fuerza sísmica a su octava parte le restaría
rigidez lateral y resistencia a la estructura, volviéndola demasiado flexible. Por lo
tanto se decidió usar un valor de R=6.
58
3.8 Cortante basal de diseño
El cortante basal de diseño V se determinará mediante:
𝑽 =𝑰𝑺𝒂(𝑻𝒂)
𝑹∅𝑷∅𝑬𝐖 (3 − 5)
Donde:
𝑆𝑎(𝑇𝑎) = Espectro de diseño en aceleración
𝑇𝑎 = Período de vibración
𝐼 = Coeficiente de importancia
∅𝑃 𝑦 ∅𝐸 = Coeficiente de configuración en planta y elevación
𝑅 = Factor de reducción de resistencia sísmica
W = Carga sísmica reactiva
El valor del cortante dinámico total en la base obtenido a través del análisis
dinámico espectral, no debe ser: (NEC-SE-DS, 2015)
• <80% del cortante basal V estático (estructuras regulares)
• <85% del cortante basal V estático (estructuras irregulares)
3.9 Control de la deriva de piso (ΔM)
El diseñador deberá comprobar que la estructura presentará deformaciones
inelásticas controlables, verificando sean menores a las admisibles según (NEC-
SE-DS, 2015). La deriva máxima inelástica ∆M se calculará mediante:
∆𝑴= 𝟎. 𝟕𝟓𝐑∆𝑬 (3 − 6)
Donde:
∆𝑀 = Deriva máxima inelástica
∆𝐸 = Desplazamiento obtenido en aplicación de las fuerzas laterales de diseño reducidas
R = Factor de reducción de resistencia
59
CAPITULO IV
DESARROLLO DEL PROYECTO PROPUESTO
4.1 Ubicación del proyecto
El proyecto se encuentra en la parroquia Pedro Carbo, en el sector del Malecón
2000, ciudad de Guayaquil, Provincia del Guayas. Está ubicado en la calle Gral.
Alm. Manuel A. de Luzarraga entre las calles Malecón Simón Bolívar y Panamá.
Sus coordenadas son 2°11'20.5"S 79°52'44.2"W.
Ilustración 52: Mapa Satelital de la ubicación del proyecto en la ciudad de Guayaquil
Fuente: Google Maps
61
4.2 Características arquitectónicas de la estructura
La propuesta consiste en el desarrollo de un edifico destinado a ser un hotel
constituido por una estructura de 8 niveles. Presenta una elevación total HT=24.1
m; la distancia entre niveles es la misma H=2.9 m, con excepción del primer nivel
que tiene una altura H=3.8 m. En la planta baja se encuentra el vestíbulo,
restaurante, oficinas, y locales comerciales. En el primer piso hay salas de
conferencia, reuniones y usos múltiples, y en el segundo piso se ubican el gimnasio,
sauna y zonas de masaje. Desde el tercer piso hasta el séptimo se encuentran las
habitaciones. Además el edificio cuenta con dos elevadores, escaleras metálicas
principal y de emergencia y un montacargas de servicio.
A continuación se muestra el diseño arquitectónico del hotel:
Ilustración 54: Fachadas Frontal, Posterior y Lateral Izquierda y Derecha del Edificio
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
62
Ilustración 55: Cortes A-A y B-B del Edificio
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Ilustración 56: Planta Baja del Edificio
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
63
Ilustración 57: Primera Planta del Edificio
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Ilustración 58: Segunda Planta del Edificio
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
64
Ilustración 59: Plantas Tipo 3 y 4, Tipo 5 y 6 y Planta 7 del Edificio
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
65
4.3 Distancias efectivas y área de construcción
Aunque la estructura cuenta con 8 niveles arquitectónicamente diferentes, en
cuestión estructural se pueden determinar 3 tipos de plantas diferentes, donde lo
que varía es el área de construcción de dichas plantas y el número de vanos en X
y en Y.
Las tres plantas tipo son: Planta Baja, Planta Tipo para el primer y segundo piso
y Planta Tipo desde el tercer piso hasta el séptimo piso.
A continuación se presentan las plantas estructurales tipo con sus respectivas
distancias efectivas (de eje a eje de columna), y una tabla con las áreas de
construcción de cada una de las plantas.
Ilustración 60: Distancias Efectivas de la Planta Baja
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
66
Ilustración 61: Distancias Efectivas de la Planta Tipo del primer y segundo piso
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Ilustración 62: Distancias Efectivas de la Planta Tipo del tercer al séptimo piso
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Tabla 6: Área Total de la estructura.
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Planta Área (m2) Cantidad Área Total (m2)
Planta Baja 1278.46 1 1278.46
Planta Tipo 1er y 2do Piso 955.36 2 1910.72
Planta Tipo 3r a 7mo Piso 752.34 5 3761.7
Total 6950.88
67
4.4 Computo de cargas
A continuación se realizará el cálculo de cargas que soportará la estructura,
tomando en cuenta los planos arquitectónicos y los pesos propios detallados en la
(NEC-SE-GC, 2015).
4.4.1 Carga muerta.
La carga muerta D, que representa el peso propio de la estructura, se
calculará directamente en el programa ETABS 2016, tomando en cuenta las
características geométricas y mecánicas de los diferentes miembros.
4.4.2 Carga sobreimpuesta.
Para la carga sobreimpuesta SCP se calcularán los pesos de paredes,
acabados y de la losa Steel Deck. Esta carga se definirá para todos los pisos,
excepto para el último nivel.
• Peso de Paredes
Tabla 7: Sobrecarga de Paredes
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Carga de Paredes
Perímetro De Paredes 312 m
Altura De Paredes 2.8 m
Área De Paredes 873.6 m²
Área de Losa 752.47 m²
Área de bloques y mortero en juntas en 1m² de pared
Área de bloques (0.19 m x 0.39 m) x 12.5 u = 0.926 m²
Área de mortero en juntas 1 m² - 0.926 m² = 0.0737 m²
Peso de bloques, mortero en juntas y mortero en enlucido en 1m² de pared
Peso de bloques (0.926 m² x 0.14 m) x 0.85 Ton/m³ = 0.11 Ton
Peso de mortero en juntas (0.0737 m² x 0.14 m) x 2 Ton/m³ = 0.02072 Ton
Peso de mortero en enlucidos (1m x 1m x 0.03m x 2 u) x 2 Ton/m³ = 0.12 Ton
Peso de Paredes
Peso de pared en 1m² (0.11 + 0.02072 + 0.12) Ton = 0.25 Ton/m²
Peso total de paredes en losa 0.25 Ton/m² x 873.6 m² = 218.4 Ton
Peso Total de paredes por m2 (218.4 Ton)/752.47 m² = 0.29 Ton/m²
68
• Peso de Acabados
Tabla 8: Sobrecarga de Acabados
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
• Peso de Losa Steel Deck
Se utilizará una losa Steel Deck Novalosa 55, con un espesor del sofito
metálico de 0.65 mm. La capa de hormigón tendrá un espesor de 5 cm y la
altura de onda del sofito es de 55 mm.
Ilustración 63: Geometría de losa Steel Deck Novalosa 55
Fuente: Novacero, (s.f.)
Ilustración 64: Pesos del sofito metálico Novalosa 55 y Volumen de Hormigón
Fuente: Novacero, (s.f.)
Carga de Acabados
Peso de Cerámica 0.02 Ton/m²
Peso de Cielo Raso 0.02 Ton/m²
Total de Acabados 0.04 Ton/m²
69
Tabla 9: Sobrecarga de Losa Steel Deck
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
• Carga Total Sobreimpuesta SCP
𝑆𝐶𝑃 = 𝑊 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒𝑠 + 𝑊 𝑎𝑐𝑎𝑏𝑎𝑑𝑜𝑠 +𝑊 𝑙𝑜𝑠𝑎
𝑆𝐶𝑃 = 0.29𝑇
𝑚2+ 0.04
𝑇
𝑚2+ 0.17
𝑇
𝑚2= 0.5
𝑇
𝑚2
𝑺𝑪𝑷 = 𝟓𝟎𝟎𝑲𝒈
𝒎𝟐 (4 − 1)
4.4.3 Carga viva.
La carga viva L, se define de acuerdo a las disposiciones de la (NEC-SE-GC,
2015). Esta carga se definirá para todos los pisos, excepto para el último nivel.
El valor que se asumirá como carga viva es el establecido para el tipo de uso de
esta estructura, que será un hotel.
𝑳 = 𝟐𝟎𝟎𝑲𝒈
𝒎𝟐 (4 − 2)
4.4.4 Carga de losa de cubierta.
Para el último piso se aplica la mitad de la carga viva que se indica en la (NEC-
SE-GC, 2015) y para la carga sobreimpuesta se retira el peso de las paredes.
𝑺𝑪𝑷 = 𝟐𝟎𝟎𝑲𝒈
𝒎𝟐 (4 − 3)
𝑪𝑽𝒕 = 𝟏𝟎𝟎𝑲𝒈
𝒎𝟐 (4 − 4)
Carga de Novalosa 55
Peso de Sofito Metálico espesor 0.65 mm = 6.38 Kg/m²
Peso de Losa de Hormigón e=5cm 0.075 m³ x 2200 Kg/m³ = 165 Kg/m²
Total Peso Losa Steel Deck 171.38 Kg/m²
70
4.4.5 Carga de escalera.
La carga de la escalera se incluirá en la estructura como carga sobreimpuesta
SCP, pero no será distribuida sobre la losa como las otras cargas sino que será
modelada como carga sobre la viga en la que se apoya.
Para los escalones se utilizará Perfil U 280x80x2,5mm el cual se rellenará con
hormigón. Para el descanso se utilizará hormigón armado. Ambos elementos se
apoyarán sobre vigas Tubo Rectangular 250x100x5 mm.
Ilustración 65: Detalle de Escalera
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
71
Ilustración 66: Detalle de escalón
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Ilustración 67: Detalle de descanso
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
72
Ilustración 68: Detalle de apoyos de la escalera
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Tabla 10: Sobrecarga de Escalera
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Carga de Escalera
Huella 0.28 m
Contrahuella 0.18 m
Longitud de 1 escalón 1.2 m
Número total de escalones 13
Ancho de Descanso 1.2 m
Largo de Descanso 3.15 m
Longitud de la Vigas de Apoyo 21.82 m
Peso de Escalones
Peso del Canal U de 1
escalón
1.2 m x 8.47 Kg/m = 10.164 Kg
Peso de Hormigón de 1
escalón
(1.20 m x 0.275 m x 0.0775 m) x 2400 Kg/m = 61.38 Kg
Peso Total de Escalones (10.164 Kg + 61.38 Kg) x 13 = 930.072 Kg
Peso de Descanso
Peso de Hormigón de
Descanso
(1.20 m x 3.15 m x 0.075 m) x 2400 Kg/m = 680.4 Kg
Peso de Vigas de Apoyo
Peso total de Tubo
Rectangular
21,82 m x 27.25 Kg/m= 594,595 Kg
Peso de Escalera
Peso total de escalera 930.072 Kg + 680.4 Kg + 594,595 Kg= 2205 Kg
Peso de escalera por
metro lineal
(2205 Kg )/3.15 m= 700 Kg/m
73
4.5 Predimensionamiento
4.5.1 Predimensionado de vigas perimetrales e interiores.
El predimensionamiento de las vigas se realizará mediante la condición de
altura mínima recomendada.
𝒉 =𝑳
𝟏𝟔 (4 − 5)
Considerando la luz mayor como más desfavorable, siendo L= 6.32 m.
𝒉 =𝟔. 𝟑𝟐
𝟏𝟔= 𝟎. 𝟑𝟗𝟓 𝒎 (4 − 6)
De acuerdo al prediseño la sección tendría un peralte de 400 mm, pero por
motivo de seguridad y debido a que van a ser diseñadas para soportar cargas
gravitacionales y laterales, se adoptará una sección mayor para las vigas
interiores (IPE 450).
Para las vigas perimetrales, debido a que estas van a soportar cargas
laterales, se asumirá un peralte mayor que el de las vigas interiores; se utilizará
vigas (IPE 500).
4.5.2 Predimensionamiento de columnas.
Para un sistema SMF, se requiere cumplir el criterio de columna fuerte viga
débil; por lo tanto se realizará el predimensionamiento de las columnas en base
a la relación entre el módulo plástico de la columna y el módulo plástico de la
viga.
𝒁𝒄𝒁𝒙𝒃⁄ = 𝟐. 𝟓𝟎 (4 − 7)
74
4.5.2.1 Predimensionado de columnas interiores.
• Módulo Plástico de la Viga Interior IPE450
Para calcular el módulo plástico se determina el centroide de la figura, el
cual se calcula hasta el eje neutro de toda la sección.
Ilustración 69: Datos para el cálculo del centroide, viga IPE450
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Tabla 11: Centroide de Viga Interior IPE450
Figura Área A (cm²) Centroide y (cm) Producto (A*y) (cm³)
1 A1=19x1.46=27.74 y1=21.04+(1.46/2)=21.77 (A1)(y1)=603.8998
2 A2=21.04x0.94=19.777 y2=21.04/2=10.52 (A2)(y2)=208.054
SUMA As=A1+A2= 47.517
811.9538
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
𝒂 =𝟖𝟏𝟏. 𝟗𝟓𝟑𝟖
𝟒𝟕. 𝟓𝟏𝟕= 𝟏𝟕. 𝟎𝟖𝟕𝟔 𝒄𝒎
𝒅 = 𝟐(𝒂) = 𝟐(𝟏𝟕. 𝟎𝟖𝟕𝟔 ) = 𝟑𝟒. 𝟏𝟕𝟓𝟐 𝒄𝒎
𝒁𝒙𝒃 = 𝑨𝒔 × 𝒅 = 𝟒𝟕. 𝟓𝟏𝟕 × 𝟑𝟒. 𝟏𝟕𝟓𝟐 = 𝟏𝟔𝟐𝟑. 𝟗 𝒄𝒎𝟑 (4 − 8)
75
• Módulo Plástico de la Columna TUBO 320x320x35
Ilustración 70: Datos para el cálculo del centroide, columna TUBO 320x320x35
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Tabla 12: Centroide de Columna TUBO 320x320x35
Figura Área A (cm²) Centroide y (cm) Producto (A*y) (cm³)
1 A1=32x3.5=112 y1=12.5+(3.5/2)=14.25 (A1)(y1)=1596
2 A2=12.5x3.5x2=87.5 y2=12.5/2=6.25 (A2)(y2)=546.875
SUMA As=A1+A2= 199.5
2142.875
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
𝒂 =𝟐𝟏𝟒𝟐. 𝟖𝟕𝟓
𝟏𝟗𝟗. 𝟓= 𝟏𝟎. 𝟕𝟒 𝒄𝒎
𝒅 = 𝟐(𝒂) = 𝟐(𝟏𝟎. 𝟕𝟒) = 𝟐𝟏. 𝟒𝟖 𝒄𝒎
𝒁𝒄 = 𝑨𝒔 × 𝒅 = 𝟏𝟗𝟗. 𝟓 × 𝟐𝟏. 𝟒𝟖 = 𝟒𝟐𝟖𝟓. 𝟐𝟔 𝒄𝒎𝟑 (4 − 9)
Se realiza la relación entre el módulo plástico de la viga interior respecto al
de la columna interior.
𝒁𝒄𝒁𝒙𝒃⁄ =
𝟒𝟐𝟖𝟓. 𝟐𝟔
𝟏𝟔𝟐𝟑. 𝟗
𝒁𝒄𝒁𝒙𝒃⁄ = 𝟐. 𝟔𝟑𝟖𝟖 > 𝟐. 𝟓𝟎 𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 (4 − 10)
Por lo tanto, la sección a usarse en el esquema estructural será: columnas
interiores TUBO 320x320x35.
76
4.5.2.2 Predimensionado de columnas perimetrales.
• Módulo Plástico de la Viga Perimetral IPE500
Para calcular el módulo plástico se determina el centroide de la figura, el
cual se calcula hasta el eje neutro de toda la sección.
Ilustración 71: Datos para el cálculo del centroide, viga IPE500
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Tabla 13: Centroide de Viga Perimetral IPE500
Figura Área A (cm²) Centroide y (cm) Producto (A*y) (cm³)
1 A1=20x1.6=32 y1=23.4+(1.6/2)=24.2 (A1)(y1)=774.4
2 A2=23.4x1.02=23.868 y2=23.4/2=11.7 (A2)(y2)=279.2556
SUMA As=A1+A2= 55.868
1053.6556
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
𝒂 =𝟏𝟎𝟓𝟑. 𝟔𝟓𝟓𝟔
𝟓𝟓. 𝟖𝟔𝟖= 𝟏𝟖. 𝟖𝟔 𝒄𝒎
𝒅 = 𝟐(𝒂) = 𝟐(𝟏𝟖. 𝟖𝟔) = 𝟑𝟕. 𝟕𝟐 𝒄𝒎
𝒁𝒙𝒃 = 𝑨𝒔 × 𝒅 = 𝟓𝟓. 𝟖𝟔𝟖 × 𝟑𝟕. 𝟕𝟐 = 𝟐𝟏𝟎𝟕. 𝟑𝟒 𝒄𝒎𝟑 (4 − 11)
77
• Módulo Plástico de la Columna TUBO 360x360x35
Ilustración 72: Datos para el cálculo del centroide, columna TUBO 360x360x35
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Tabla 14: Centroide de Columna TUBO 360x360x35
Figura Área A (cm²) Centroide y (cm) Producto (A*y) (cm³)
1 A1=36x3.5=126 y1=14.5+(3.5/2)=16.25 (A1)(y1)=2047.5
2 A2=14.5x3.5x2=101.5 y2=14.5/2=7.25 (A2)(y2)=735.875
SUMA As=A1+A2= 227.5
2783.375
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
𝒂 =𝟐𝟕𝟖𝟑. 𝟑𝟕𝟓
𝟐𝟐𝟕. 𝟓= 𝟏𝟐. 𝟐𝟑𝟒𝟔 𝒄𝒎
𝒅 = 𝟐(𝒂) = 𝟐(𝟏𝟐. 𝟐𝟑𝟒𝟔) = 𝟐𝟒. 𝟒𝟔𝟗𝟐 𝒄𝒎
𝒁𝒄 = 𝑨𝒔 × 𝒅 = 𝟐𝟐𝟕. 𝟓 × 𝟐𝟒. 𝟒𝟔𝟗𝟐 = 𝟓𝟓𝟔𝟔. 𝟕𝟒𝟑 𝒄𝒎𝟑 (4 − 12)
Se realiza la relación entre el módulo plástico de la viga perimetral respecto
al de la columna perimetral.
𝒁𝒄𝒁𝒙𝒃⁄ =
𝟓𝟓𝟔𝟔. 𝟕𝟒𝟑
𝟐𝟏𝟎𝟕. 𝟑𝟒
𝒁𝒄𝒁𝒙𝒃⁄ = 𝟐. 𝟔𝟒𝟏𝟔 > 𝟐. 𝟓𝟎 𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 (4 − 13)
Por lo tanto, la sección a usarse en el esquema estructural será: columnas
perimetrales TUBO 360x360x35.
78
4.5.3 Predimensionado de correas.
Las correas irán en el sentido X, a una distancia de separación de 1.2 m. Se
predimensiona el perfil por su capacidad, dada por la siguiente fórmula:
∅𝑴𝒏 = 𝟎. 𝟗𝟎 × 𝒁𝒙 × 𝑭𝒚 ≥(𝑸𝒂𝒕)𝑳²
𝟖
𝑸 = 𝟏. 𝟐𝑺𝑪𝑷 + 𝟏. 𝟔𝑳 + 𝟎. 𝟓𝑪𝑽𝒕 = 𝟏. 𝟐(𝟓𝟎𝟎) + 𝟏. 𝟔(𝟐𝟎𝟎) + 𝟎. 𝟓(𝟏𝟎𝟎) = 𝟗𝟕𝟎𝒌𝒈
𝒎𝟐
𝑸 = 𝟏. 𝟒 𝑺𝑪𝑷 = 𝟏. 𝟒 ∗ 𝟓𝟎𝟎 = 𝟕𝟎𝟎𝒌𝒈
𝒎𝟐 (4 − 14)
Se escoge la mayor carga entre las dos, que es Q=970 Kg/m².
𝑸𝒂𝒕 = 𝟗𝟕𝟎𝒌𝒈
𝒎𝟐× 𝟏. 𝟐 𝒎 = 𝟏𝟏𝟔𝟒 𝒌𝒈/𝒎
𝒁𝒙 ≥(𝑸𝒂𝒕)𝑳²
𝟖 × 𝟎, 𝟗𝟎 × 𝑭𝒚=
𝟏𝟏𝟔𝟒 × 𝟓. 𝟑𝟔𝟐
𝟖 × 𝟎. 𝟗𝟎 × 𝟐𝟓𝟑𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎= 𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟏𝟖𝟑𝟓𝟖𝟏𝟕𝟔𝟓𝟓 𝒎³
𝒁𝒙 = 𝟏𝟖𝟑. 𝟓𝟖 𝒄𝒎𝟑 (4 − 15)
Se escogerá una sección que tenga un mayor módulo plástico que el
requerido. Se probará la correa IPE 240.
Ilustración 73: Datos para el cálculo del centroide, viga IPE240
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
79
Tabla 15: Centroide de Viga de Correa IPE240
Figura Área A (cm²) Centroide y (cm) Producto (A*y) (cm³)
1 A1=12x0.98=11.76 y1=11.02+(0.98/2)=11.51 (A1)(y1)=135.3576
2 A2=11.02x0.62=6.8324 y2=11.02/2=5.51 (A2)(y2)=37.646524
SUMA As=A1+A2= 18.5924
173.004124 cm³
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
𝒂 =𝟏𝟕𝟑. 𝟎𝟎𝟒𝟏𝟐𝟒
𝟏𝟖. 𝟓𝟗𝟐𝟒= 𝟗. 𝟑𝟎𝟓𝟎𝟗𝟗 𝒄𝒎
𝒅 = 𝟐(𝒂) = 𝟐(𝟗. 𝟑𝟎𝟓𝟎𝟗𝟗 ) = 𝟏𝟖. 𝟔𝟏𝟎𝟏𝟗𝟖 𝒄𝒎
𝒁𝒙𝒃 = 𝑨𝒔 × 𝒅 = 𝟏𝟖. 𝟓𝟗𝟐𝟒 × 𝟏𝟖. 𝟔𝟏𝟎𝟏𝟗𝟖 = 𝟑𝟒𝟔, 𝟎𝟎𝟖𝟐𝟒𝟓𝟑 𝒄𝒎𝟑 (4 − 16)
Se verifica que el módulo plástico calculado cumpla el requisito:
𝒁𝒙𝒄𝒂𝒍𝒄 > 𝒁𝒙𝒓𝒆𝒒𝒖𝒆𝒓𝒊𝒅𝒂
𝟑𝟒𝟔. 𝟎𝟎𝟖 𝒄𝒎𝟑 > 𝟏𝟖𝟑. 𝟓𝟖 𝒄𝒎𝟑 𝑶𝒌 (4 − 17)
El módulo plástico de la sección IPE240 es mayor que el requerido.
Además se tomará en cuenta que cumpla con el criterio de flecha máxima
para correas:
𝑳
𝒅≤𝟓𝟔𝟎𝟎𝟎
𝑭𝒚(𝒁𝒙
𝒁𝒓𝒆𝒒)
𝟓𝟑𝟔
𝟐𝟒≤𝟓𝟔𝟎𝟎𝟎
𝟐𝟓𝟑𝟎(𝟑𝟒𝟔. 𝟎𝟎𝟖
𝟏𝟖𝟑. 𝟓𝟖)
𝟐𝟐. 𝟑𝟑 ≤ 𝟒𝟏. 𝟕𝟏𝟖 𝑶𝒌 (4 − 18)
Se cumplieron ambos requisitos, el de capacidad con el módulo plástico, y el
de flecha máxima.
Por lo tanto, la sección a usarse en el esquema estructural será: columnas
perimetrales IPE 240.
80
4.6 Modelo matemático en ETABS 2016
Se realiza el modelo matemático en 3D de la estructura de 8 niveles en acero
estructural, utilizando el software ETABS 2016. En el programa se definen los
parámetros: materiales, secciones predimensionadas, cargas y combinaciones.
En el caso de la carga sísmica se definirá un espectro de respuesta de acuerdo
a los parámetros establecidos en la (NEC-SE-DS, 2015). El tipo de suelo es tipo D,
tendrá un factor de importancia I=1, se afectará a la estructura con factores de
irregularidad en planta øPi=0.9 y en elevación øEi=0.9; y se aplicará un factor de
reducción R=6.
Con este modelo matemático se determinarán el período fundamental dinámico,
los modos de vibración de la estructura, el cortante basal y los desplazamientos
laterales máximos.
Ilustración 74: Vista Renderizada de la Estructura, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
81
4.6.1 Definición de propiedades de los materiales.
Se definirán las propiedades del material de acero ASTM A36:
𝑭𝒚 = 𝟐𝟓𝟑𝟎 𝑲𝒈𝒄𝒎𝟐⁄ 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝐹𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
𝑹𝒚 = 𝟏. 𝟓 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑆𝑜𝑏𝑟𝑒𝑟𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝐹𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
𝑭𝒖 = 𝟒𝟎𝟖𝟎 𝑲𝒈𝒄𝒎𝟐⁄ 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛
𝑹𝒕 = 𝟏. 𝟐 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑆𝑜𝑏𝑟𝑒𝑟𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛
𝑬 = 𝟐𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝑲𝒈𝒄𝒎𝟐⁄ 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 (4 − 19)
Ilustración 75: Definición de propiedades de acero ASTM A36, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
82
4.6.2 Definición de perfiles predimensionados.
• Vigas Perimetrales
Ilustración 76: Definición de viga IPE500, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
• Vigas Interiores
Ilustración 77: Definición de viga IPE450, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
83
• Vigas de Correa
Ilustración 78: Definición de viga IPE240, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
• Columnas Perimetrales
Ilustración 79: Definición de columna TUBO360x360x35, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
84
• Columnas Interiores
Ilustración 80: Definición de columna TUBO320x320x35, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
4.6.3 Definición de patrones de carga.
𝑫 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑀𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎
𝑳 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑉𝑖𝑣𝑎
𝑺𝑪𝑷 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑆𝑜𝑏𝑟𝑒𝑖𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑎
𝑪𝑽𝒕 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑉𝑖𝑣𝑎 𝑑𝑒 𝑇𝑒𝑐ℎ𝑜 (4 − 20)
Ilustración 81: Load Patterns, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
85
4.6.4 Fuente de masa.
𝜸 = 𝟎. 𝟓𝟎 𝑃𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑖𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 𝐿 (4 − 21)
Ilustración 82: Mass Source, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
4.6.5 Definición del espectro de respuesta.
Se lo definirá según los parámetros indicados en (NEC-SE-DS, 2015):
Ilustración 83: Espectro de respuesta, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
86
4.6.6 Definición de casos de cargas.
A los patrones de carga definidos anteriormente, se agregarán los casos de
carga producidos por la acción sísmica, representada en el espectro de
respuesta.
Se definirán 3 casos de carga sísmica: Sismo X, Sismo Y y Sismo Horizontal.
• SISMO X
Se define el caso en que la carga sísmica se aplica al 100% en el sentido
X, y un 30% en el sentido Y.
Ilustración 84: Load Case Sismo X, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
• SISMO Y
Se define el caso en que la carga sísmica se aplica al 100% en el sentido
Y, y un 30% en X.
87
Ilustración 85: Load Case Sismo Y, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
• SISMO HORIZONTAL
𝐸ℎ = √𝐸𝑥2 + 𝐸𝑦2 (4 − 22)
Ilustración 86: Load Case Sismo Horizontal, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
88
4.6.7 Definición de combinaciones de carga.
Las cargas se incrementarán de acuerdo a las siguientes combinaciones:
Ilustración 87: Combinaciones de Carga, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
89
4.6.8 Efecto P-Delta.
Para incluir el efecto P-Delta, se definirá con la opción no iterativo basado en
la masa. Con esta opción el programa cuando la estructura se desplace por el
sismo tomará la masa, la multiplica por la gravedad y generará un peso, el cual
producto de la sismicidad generará un momento.
Ilustración 88: Efecto P-Delta, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
4.6.9 Modal Cases.
Se definirán 3 modos de vibración por cada piso. Al ser 8 pisos, habrá un
máximo de 24 modos de vibración.
Ilustración 89: Modal Cases, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
90
4.6.10 Asignación de secciones.
Se asignarán las secciones previamente definidas, incluyendo la losa como
membrana de e=0.001 m, y los huecos para escaleras y ascensores.
Ilustración 90: Vista en planta y elevación de secciones asignadas, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
91
4.6.11 Asignación de cargas.
Se asignarán las cargas permanentes y variables sobre la losa como cargas
repartidas por m². La sobrecarga de la escalera se asigna sobre la viga donde
se apoya como carga repartida por metro lineal.
Ilustración 91: Asignación de cargas sobre losa y viga de la escalera, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
92
4.6.12 Diafragmas rígidos.
Se asignarán diafragmas rígidos en la losa de cada piso, para que el programa
las tome en cuenta como losas que no se deformarán ni se doblarán ante las
cargas sísmicas.
Ilustración 92: Diafragmas rígidos en las losas, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
4.6.13 Brazos rígidos.
En ETABS, al modelar las vigas y las columnas, estas se conectan en sus
ejes; pero está claro que en la realidad los elementos tienen una dimensión, por
lo tanto es importante contemplar la rigidez que se produce en el nodo.
Se asignarán brazos rígidos en las juntas viga-columna para que el programa
tome en cuenta la rigidez producto de las dimensiones de los elementos, así las
vigas y las columnas trabajarán en su luz libre. Se aplicará un factor de rigidez
igual a 0.75.
93
Ilustración 93: Asignación de brazos rígidos en juntas viga-columna, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
4.6.14 Preferencias para el diseño de acero.
Se establece a continuación las preferencias con las que se va a diseñar la
estructura. Algunas de ellas son:
• El tipo de pórtico va a ser un pórtico resistente a momento SMF.
• El coeficiente de aceleración para períodos cortos (0.2seg). En este
caso el SDS se encuentra en la meseta del espectro de respuesta, por
lo que el valor será igual a:
𝑺𝑫𝑺 = 𝑺𝒂 = 𝜼𝒁𝑭𝒂 = 𝟏. 𝟖𝟎 × 𝟎. 𝟒𝟎 × 𝟏. 𝟐 = 𝟎. 𝟖𝟔𝟒 (4 − 23)
• Los factores de desempeño que se usarán: factor de reducción de la
carga sísmica R=6, factor de amplificación de deflexiones Cd=0.75 x
R=4.5, y factor de sobrerresistencia Ω0=3.
• El método de análisis será por el Método de Longitud Efectiva.
• La relación demanda-capacidad tendrá un factor límite D/C=1.
95
4.7 Análisis estructural
4.7.1 Período fundamental y modos de vibración.
El período es el tiempo que se demora en completar un ciclo una estructura.
El período fundamental dinámico del modelo matemático es el que se presenta
en el 1er modo de vibración de la estructura. Se deben considerar también los
períodos de vibración de todos los modos de vibración que contribuyan a la
respuesta total de la estructura.
La estructura no debe presentar un modo de vibración rotacional hasta el 3er
modo, de lo contrario habría una diferencia de rigideces en la edificación que
provocaría el movimiento rotacional.
Ilustración 95: Períodos y Modos de Vibración, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
96
También se debe considerar la participación de una masa modal acumulada
que debería llegar mínimo al 90% de la masa total de la estructura máximo hasta
el 6to modo. El porcentaje de masas participantes es mayor al 90% a partir del
4to modo de vibración, por lo que se cumple la condición.
Ilustración 96: Masas participativas, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Tabla 16: Resultados de los primeros 5 modos de vibración de la estructura
Modo Período (seg) % de Masa Participante Tipo de Modo de Vibrar
1 0.809 77.37 Traslacional en YY´
2 0.704 71.5 Traslacional en XX´
3 0.613 71.48 Rotacional en ZZ´
4 0.277 91.48 Flexo-Traslacional en YY´
5 0.24 92.64 Flexo-Traslacional en XX´
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
97
4.7.2 Ajuste del cortante basal dinámico.
De acuerdo a la (NEC-SE-DS, 2015) el cortante basal dinámico para
estructuras irregulares no debe ser menor al 85% del cortante basal estático.
• Cortante Basal Estático
𝑽 =𝑰𝑺𝒂(𝑻𝒂)
𝑹∅𝑷∅𝑬𝐖 (4 − 24)
Con el período fundamental de vibración de la estructura (dinámico)
obtenido del ETABS, T= 0,809seg se obtiene la aceleración Sa(Ta). Se
verifica primero si el valor de T es mayor o menor a Tc:
𝑻𝒄 = 𝟎. 𝟓𝟓 × 𝑭𝒔 ×𝑭𝒅
𝑭𝒂
𝑻𝒄 = 𝟎. 𝟓𝟓 × 𝟏. 𝟐𝟖 × (𝟏. 𝟏𝟗
𝟏. 𝟐)
𝑻𝒄 = 𝟎. 𝟔𝟗𝟖 < 𝑻 = 𝟎. 𝟖𝟎𝟗 (4 − 25)
Se observa que el valor de T es mayor a Tc, por lo que recae en la caída
de la curva. El valor de Sa(Ta) se calcula:
𝑺𝒂 = 𝜼 × 𝒁 × 𝑭𝒂 × (𝑻𝒄
𝑻)𝒓
𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑇 > 𝑇𝑐
𝑺𝒂 = 𝟏. 𝟖𝟎 × 𝟎. 𝟒𝟎 × 𝟏. 𝟐 × (𝟎. 𝟔𝟗𝟖
𝟎. 𝟖𝟎𝟗)𝟏.𝟎𝟎
𝑺𝒂 = 𝟎, 𝟕𝟒𝟓 (4 − 26)
Tabla 17: Cálculo del Peso Sísmico W
Load Case FZ (tonf) Coef Mass W (tonf)
Dead 806.7291 1 806.7291
Live 1037.1502 0.5 518.5751
SCP 2875.7476 1 2875.7476
W total= 4201,0518
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
98
𝑽𝒆𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒐 =𝑰 × 𝑺𝒂(𝑻𝒂)
𝑹 × ∅𝒑 × ∅𝒆×𝑾
𝑽𝒆𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒐 =𝟏.𝟎 × 𝟎. 𝟕𝟒𝟓
𝟔 × 𝟎. 𝟗 × 𝟎. 𝟗× 𝟒𝟐𝟎𝟏. 𝟎𝟓𝟏𝟖
𝑽𝒆𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒐 = 𝟔𝟒𝟑. 𝟗𝟖𝟖𝟒 𝑻𝒐𝒏𝒇 (4 − 27)
• Cortante Dinámico (Sentido X)
Ilustración 97: Cortante basal dinámico sentido X, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Para edificios irregulares:
𝑽𝒅𝒊𝒏á𝒎𝒊𝒄𝒐 𝑿 ≥ 𝟎. 𝟖𝟓 × 𝑽𝒆𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒐
𝟓𝟔𝟒. 𝟗𝟓𝟒𝟎𝟓 ≥ 𝟎. 𝟖𝟓 × (𝟔𝟒𝟑. 𝟗𝟖𝟖𝟒)
𝟓𝟔𝟒. 𝟗𝟓𝟒𝟎𝟓 𝑻𝒐𝒏𝒇 ≥ 𝟓𝟒𝟕. 𝟐𝟕𝟕𝟏𝟒𝟐𝟗 𝑻𝒐𝒏𝒇 𝐶𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒 (4 − 28)
99
• Cortante Dinámico (Sentido Y)
Ilustración 98: Cortante basal dinámico sentido Y, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Para edificios irregulares:
𝑽𝒅𝒊𝒏á𝒎𝒊𝒄𝒐 𝒀 ≥ 𝟎. 𝟖𝟓 × 𝑽𝒆𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒐
𝟒𝟖𝟑. 𝟖𝟒𝟐𝟖𝟑𝟐 ≥ 𝟎. 𝟖𝟓 × (𝟔𝟒𝟑. 𝟗𝟖𝟖𝟒)
𝟒𝟖𝟑. 𝟖𝟒𝟐𝟖𝟑𝟐 𝑻𝒐𝒏𝒇 < 𝟓𝟒𝟕. 𝟐𝟕𝟕𝟏𝟒𝟐𝟗 𝑻𝒐𝒏𝒇 𝑁𝑜 𝐶𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒 (4 − 29)
100
Si no cumple, se debe usar un Factor de Amplificación:
𝑭𝒂𝒎𝒑𝒍𝒊𝒇𝒊𝒄𝒂𝒄𝒊ó𝒏 = 𝟎. 𝟖𝟓 ×𝑽𝒆𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒐𝑽𝒅𝒊𝒏á𝒎𝒊𝒄𝒐 𝒀
𝑭𝒂𝒎𝒑𝒍𝒊𝒇𝒊𝒄𝒂𝒄𝒊ó𝒏 = 𝟎. 𝟖𝟓 ×𝟔𝟒𝟑. 𝟗𝟖𝟖𝟒
𝟒𝟖𝟑. 𝟖𝟒𝟐𝟖𝟑𝟐
𝑭𝒂𝒎𝒑𝒍𝒊𝒇𝒊𝒄𝒂𝒄𝒊ó𝒏 = 𝟏, 𝟏𝟒 (4 − 30)
RESULTADO OBTENIDO CON FACTOR DE AMPIFICACIÓN = 1,14
Ilustración 99: Cortante dinámico en Y afectado por factor de amplificación, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
𝟓𝟓𝟏. 𝟓𝟖𝟎𝟖𝟐𝟗 𝑻𝒐𝒏𝒇 ≥ 𝟓𝟒𝟕. 𝟐𝟕𝟕𝟏𝟒𝟐𝟗 𝑻𝒐𝒏𝒇 𝐶𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒 (4 − 31)
101
• Cortante Dinámico (Sismo H)
Ilustración 100: Cortante basal dinámico Sismo H, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Para edificios irregulares:
𝑽𝒅𝒊𝒏á𝒎𝒊𝒄𝒐 𝑺𝑰𝑺𝑴𝑶 𝑯 ≥ 𝟎. 𝟖𝟓 × 𝑽𝒆𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒐
𝟓𝟔𝟏. 𝟒𝟑𝟔𝟎𝟕𝟓 ≥ 𝟎. 𝟖𝟓 × (𝟔𝟒𝟑. 𝟗𝟖𝟖𝟒)
𝟓𝟔𝟏. 𝟒𝟑𝟔𝟎𝟕𝟓 𝑻𝒐𝒏𝒇 ≥ 𝟓𝟒𝟕. 𝟑𝟗𝟎𝟏𝟒 𝑻𝒐𝒏𝒇 𝐶𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒 (4 − 32)
102
4.7.3 Revisión de derivas de piso.
Se efectúa el control de derivas máximas de piso para ambas direcciones y
se indica en qué piso se produce.
El ETABS muestra el valor del drift, que se multiplica por 0.75R para obtener
el valor de la deriva máxima inelástica la cual debe cumplir satisfactoriamente el
control de distorsiones angulares de entrepiso de acuerdo a la (NEC-SE-DS,
2015).
Ilustración 101: Valores del drift en sentido X y sentido Y, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Tabla 18: Cálculo de deriva máxima de piso ΔM
Piso ΔM (sentido X) ΔM (sentido Y)
Piso 3 y Piso 4 0.002191 x 0.75 x 6 = 0.0098595 0.002972 x 0.75 x 6 = 0.013374
0.0098595<0.02 Cumple 0.013374<0.02 Cumple
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
103
4.7.4 Desplazamiento máximo de piso.
Se evalúa el desplazamiento máximo de los pisos, multiplicando el valor de
displacement que sale en el ETABS por el factor R.
Ilustración 102: Valores de displacement en sentido X y sentido Y, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
Tabla 19: Cálculo de desplazamiento máximo de piso
Piso Desplazamiento máximo (m) Desplazamiento máximo (m)
Piso 8 0.035343 x 6 = 0.212058 m 0.048975 x 6 = 0.29385 m
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
4.7.5 Comprobación de flecha máxima en vigas y correas.
Es imprescindible conocer las deflexiones producidas en vigas y correas, para
compararlas con las máximas recomendadas. Para ello, se revisarán las
deflexiones con la demanda ejercida por la carga viva y viva de techo. Se creó
un combo adicional que considera estas cargas.
104
• Flecha Máxima en Vigas Perimetrales e Interiores
Flecha máxima recomendada:
𝑳
𝟑𝟔𝟎=𝟔. 𝟑𝟐
𝟑𝟔𝟎= 𝟎. 𝟎𝟏𝟕𝟓 𝒎 (4 − 33)
Ilustración 103: Deflexión máxima de viga perimetral IPE500, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟒𝟓𝟑 𝒎 < 𝟎. 𝟎𝟏𝟕𝟓 𝒎 𝐶𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒 (4 − 34)
Ilustración 104: Deflexión máxima de viga interior IPE450, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟔𝟔𝟕 𝒎 < 𝟎. 𝟎𝟏𝟕𝟓 𝒎 𝐶𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒 (4 − 35)
• Flecha Máxima en Vigas de Correa
Flecha máxima recomendada:
𝑳
𝟑𝟔𝟎=𝟓. 𝟑𝟔
𝟑𝟔𝟎= 𝟎. 𝟎𝟏𝟒𝟖𝟖 𝒎 (4 − 36)
Ilustración 105: Deflexión máxima de viga de correa IPE240, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
𝟎. 𝟎𝟎𝟑𝟑𝟔𝟕 𝒎 < 𝟎. 𝟎𝟏𝟒𝟖𝟖 𝒎 𝐶𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒 (4 − 37)
105
4.7.6 Verificación de ratios demanda/capacidad.
𝑹𝒂𝒕𝒊𝒐 𝑳í𝒎𝒊𝒕𝒆𝑫
𝑪≤ 𝟏 (4 − 38)
Ilustración 106: Chequeo de Ratios Demanda/Capacidad, ETABS 2016
Elaboración: Johnny Cabrera Ordóñez
106
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 Conclusiones
Realizado el análisis del edificio de 8 niveles en acero estructural ubicado en la
ciudad de Guayaquil, se puede concluir que este diseño cumple con los
reglamentaciones vigentes, en base a lo indicado por las normas (NEC-SE-DS,
2015), (AISC 360, 2016) y (AISC 341, 2016).
Tras evaluar las cargas a las que estará sometida la edificación (gravitacionales
y sísmicas), se configuró la estructura con perfiles TUBO360x360x35 para
columnas perimetrales, TUBO320x320x35 para columnas internas, perfiles IPE500
para las vigas perimetrales, IPE450 las vigas internas y perfiles IPE240 para las
vigas de correa.
Se utilizó un análisis sísmico modal espectral, resultando un período
fundamental igual a 0.809 segundos con un modo de vibración traslacional en YY´,
lo que era de esperarse ya que al contar con menos ejes la afectación sísmica es
mayor en este sentido. Se obtuvo una deriva de entrepiso de 0.013, cumpliendo la
condición de deriva máxima admisible establecida por la norma (NEC-SE-DS,
2015).
Al revisar la relación demanda/capacidad en el software ETABS 2016 se
demuestra que la estructura cumple con el diseño sismorresistente debido a que
los valores del ratio D/C de todos los miembros son menores a 1. Igualmente se
comprobó el diseño en tablas formuladas de Excel confirmando que los elementos
cumplen con las normas (AISC 360, 2016) y (AISC 341, 2016).
107
5.2 Recomendaciones
Esta configuración estructural de pórticos resistentes a momento (SMF) es
satisfactoria y cumple con la norma (NEC-SE-DS, 2015), pero también es
considerablemente flexible si se compara con otros reglamentos como la (NSR-10)
de Colombia o la Norma Técnica (RNE-E030) de Perú; donde la deriva máxima
permisible es del 1% de la altura de piso.
Reducir la flexibilidad de la estructura es posible aumentando las dimensiones
de los elementos, aunque esta solución podría no ser económicamente viable; por
lo tanto se recomendaría implementar otro tipo de sistema estructural para este
edificio, como por ejemplo los pórticos arriostrados concéntricamente (SCBF) que
permitirían disminuir las secciones de los miembros estructurales y por ende su
peso y su costo, además de proporcionar de mayor rigidez lateral a la estructura,
reduciendo el periodo fundamental de vibración y los desplazamientos laterales.
BIBLIOGRAFÍA
Acero Estructural, Proceso de Fabricación. (1 de Noviembre de 2016). Obtenido de
http://www.ferra2.com/acero-estructural/
AISC 341. (2016). Seismic Provisions for Structural Steel Buildings.
AISC 360. (2016). Specification for Structural Steel Buildings.
ALACERO. (2018). DISEÑO SISMORRESISTENTE DE CONSTRUCCIONES DE ACERO. Mendoza,
Argentina.
ASCE/SEI7. (2010). Minimun Design Loads for Buildings and Other Structures. Estados Unidos.
DIPAC. (s.f.). Catálogo de Productos de Acero DIPAC. Ecuador.
Estructuras de Acero. (16 de Junio de 2007). Obtenido de
http://estructurasacero.blogspot.com/2007/06/ventajas-y-desventajas-del-uso-de-
acero.html
Estructuras Metálicas - Ventajas e Inconvenientes. (19 de Marzo de 2012). Obtenido de
http://gtmingenieria.blogspot.com/2012/03/estructuras-metalicas-ventajas-e.html
GEOESTUDIOS S.A. (Enero de 2015). Sondeo Proyecto SWISSOTEL. Localización Panamá y Luis
Urdaneta. Guayaquil, Guayas, Ecuador.
GERDAU CORSA. (2018). Construcción compuesta acero-concreto. EL ACERO HOY, 28.
GERDAU CORSA. (2018). Elección del tipo de acero para estructuras. EL ACERO HOY, 16.
GUIA 3 ACERO. (2016). Guia práctica para el diseño de estructuras de acero de conformidad con la
Norma Ecuatoriana de la Construcción NEC 2015. Quito, Ecuador.
NEC-SE-AC. (2015). Estructuras de Acero. Quito, Ecuador.
NEC-SE-DS. (2015). Peligro Sísmico. Quito, Ecuador.
NEC-SE-GC. (2015). Cargas No Sísmicas. Quito, Ecuador.
Novacero. (s.f.). Catálogo de Producto Novalosa de Novacero. Ecuador.
NSR-10. (s.f.). Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente.
Perfiles de Acero Estructural. (2018). Obtenido de http://allstudies.com/perfiles-de-acero-
estructural.html
PERFILES ESTRUCTURALES DE ACERO. (25 de Octubre de 2013). Obtenido de
https://prezi.com/2_1yurwbb285/perfiles-estructurales-de-acero/
Predimensionado Estructuras de Acero. (11 de Diciembre de 2012). Obtenido de Lineamientos
para el predimensionado de una estructura sismorresistente en acero:
https://es.scribd.com/doc/116429946/Predimensionado-Estructuras-de-Acero
RNE-E030. (s.f.). Norma Técnica "Diseño Sismorresistente" del Reglamento Peruano de
Edificaciones.
ZONAS DE ESTUDIO
Se plantea la revisión de vigas, columnas y relación columna fuerte-viga débil de
dos juntas: JUNTA 1C y JUNTA 3C.
REVISIÓN JUNTA 1C
RATIOS DEMANDA/CAPACIDAD
VIGAS PERIMETRALES IPE500
Fy= 2530 Kg/cm² E= 2100000 Kg/cm²
Ry= 1,5
A= 116 cm² Ix= 48200 cm⁴
bf= 20 cm Iy= 2142 cm⁴
tf= 1,6 cm Zx= 2194 cm³
tw= 1,02 cm Sx= 1928 cm³
d= 50 cm J= 89,1 cm⁴
r= 2,1 cm
20,384 cm 4,2972 cm
42,6 cm
48,4 cm
1249365,3 cm⁶
Tonf - m
Ton
7,5275515
6,25 OK
60,455648
41,76 OK
DISEÑO DE VIGA V1, JUNTA 1CDATOS DEL MATERIAL
DATOS DEL PERFIL
CÁLCULO DE PROPIEDADES
FUERZAS INTERNAS
13,1811
6,9583
REVISIÓN DEL PANDEO LOCAL
= = =
=
= − =
= − 2( + ) =
= × 2×
24=
= 2 =
á = 0,32
R =
á = 2,57
R =
=
=
=
=
4,66 m
2 m
225,898 cm
2,26 m
1,6 m OK
217,89 cm
2,179 m
1,6 m
0,9
4995738 Kg-cm
49,95738 Ton-m
49,957 > 13,18
< 1
0,9 1
51 cm
69676,2 Kg
69,6762 Ton
69,676 > 6,96
< 1
Longitud de Arriostramiento
REVISIÓN DE LONGITUD DE ARRIOSTRAMIENTO
L =
Longitud Límite de Comportamiento Plástico
OK
La resistencia a flexión está dada por
Fluencia
RESISTENCIA A FLEXIÓN
OK
Relación Demanda/Capacidad
0,2638 OK
VERIFICACIÓN DEL CORTANTE
OK
OK
Relación Demanda/Capacidad
0,0999
á = 0,095 × 𝑟𝑦×𝐸
𝑅𝑦𝐹𝑦=
á =
=
( . .+1)=
. . =
= 1,76× ×
=
=
=
∅ =
∅ = ∅ = ∅ × × =
∅ =
∅ = =
∅ = =
= × =
∅ = ∅ 0,6𝐹𝑦 𝐶 =
∅ =
∅ = =
= ∅
=
= ∅ =
Fy= 2530 Kg/cm² E= 2100000 Kg/cm²
Ry= 1,5
A= 116 cm² Ix= 48200 cm⁴
bf= 20 cm Iy= 2142 cm⁴
tf= 1,6 cm Zx= 2194 cm³
tw= 1,02 cm Sx= 1928 cm³
d= 50 cm J= 89,1 cm⁴
r= 2,1 cm
20,384 cm 4,2972 cm
42,6 cm
48,4 cm
1249365,3 cm⁶
Tonf - m
Ton
7,5275515
6,25 OK
60,455648
41,76 OK
DISEÑO DE VIGA V2, JUNTA 1CDATOS DEL MATERIAL
DATOS DEL PERFIL
CÁLCULO DE PROPIEDADES
FUERZAS INTERNAS
12,6179
5,9934
REVISIÓN DEL PANDEO LOCAL
= = =
=
= − =
= − 2( + ) =
= × 2×
24=
= 2 =
á = 0,32
R =
á = 2,57
R =
=
=
=
=
5,36 m
2 m
225,898 cm
2,26 m
1,8 m OK
217,89 cm
2,179 m
1,8 m
0,9
4995738 Kg-cm
49,95738 Ton-m
49,957 > 12,62
< 1
0,9 1
51 cm
69676,2 Kg
69,6762 Ton
69,676 > 5,99
< 1
VERIFICACIÓN DEL CORTANTE
OK
Relación Demanda/Capacidad
0,0860 OK
Longitud Límite de Comportamiento Plástico
OK
La resistencia a flexión está dada por
Fluencia
RESISTENCIA A FLEXIÓN
OK
Relación Demanda/Capacidad
0,2526 OK
Longitud de Arriostramiento
REVISIÓN DE LONGITUD DE ARRIOSTRAMIENTO
L =
á =
=
( . .+1)=
. . =
= 1,76× ×
=
=
=
∅ =
∅ = ∅ = ∅ × × =
∅ =
∅ = =
∅ = =
= × =
∅ = ∅ 0,6𝐹𝑦 𝐶 =
∅ =
∅ = =
= ∅
=
= ∅ =
á = 0,095 × 𝑟𝑦×𝐸
𝑅𝑦𝐹𝑦=
COLUMNAS PERIMETRALES TUBO 360X360X35
Fy= 2530 Kg/cm² E= 2100000 Kg/cm²
Ry= 1,5
A= 455 cm² Ix= 81030 cm⁴
bf= 36 cm Iy= 81030 cm⁴
tf= 3,5 cm Zx= 5567 cm³
tw= 3,5 cm Zy= 5567 cm³
d= 36 cm
13,345 cm 13,345 cm
29 cm
29 cm
Ton
Ton-m
Ton-m
15,290
8,286 OK
1726725 Kg
0,9 1726,73 Ton 0,0323
58,426
8,286 OK
H = 3,8 m
0,5 m 3,3 m
5,36 m
48200 cm⁴
2,37 1
1,510
1
1,510
≤ ≥
37,3 ≤ 135,7 14870,33 ≥ 1113,2
50,1603
20,9178
16,7311
REVISIÓN DEL PANDEO LOCAL
REVISIÓN DEL PANDEO FLEXIONAL
OK OK
Factor de Longitud Efectiva
DISEÑO DE COLUMNA C1, JUNTA 1CDATOS DEL MATERIAL
DATOS DEL PERFIL
CÁLCULO DE PROPIEDADES
FUERZAS INTERNAS
La resistencia a compresión está dada por el
Pandeo Inelástico
= = =
=
= − 2 =
=
=
á = 0,65
R =
á = 2,57
R 1− 1,04𝐶𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝐶𝑎 ≤ 0,114
=
=
=
=
=
= −2 =
á = 0,88
R 2,68 − 𝐶𝑎 ≥ 1,57
R 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝐶𝑎 > 0,114
= ∅ =
= R =
=∅ =
á =
= − =
4,71𝐸
𝐹𝑦 =
2
( )2
0,44𝐹𝑦
𝑦 =
=
2 2
=
=
=
= =
=1,6 +4 + +7,5
+ +7,5=
= =
=
2356,1
964823,42 Kg
964,823 Ton
964,823 > 50,16
0,0520 < 1
3,3 m
676,67 cm
6,767 m
3,3 m
0,9
Si entonces
12676059 Kg-cm
126,76059 Ton-m
126,761 > 20,9178
126,761 > 16,7311
0,1650 < 1
0,1320 < 1
Si entonces
Si entonces
0,052
0,323 ≤ 1
OK
RESISTENCIA A COMPRESIÓN
OK
Relación Demanda/Capacidad
OK
RESISTENCIA A FLEXIÓN
Longitud no soportada lateralmente
Longitud Límite de Comportamiento Plástico
Kg/cm²
Tensión Crítica de Pandeo Inelástico
REVISIÓN POR FLEXO-COMPRESIÓN
OK
La resistencia a flexión está dada por Fluencia
OK
OK
Relación Demanda/Capacidad
OK
OK
∅ = ∅ × × =
∅ =
=
= ∅ =
= (0,658
)
∅ =
= 𝐿
= 1,76× ×
=
=
=
∅ =
∅ = ∅ = ∅ × × =
∅ =
∅ = =
= 𝑥∅
=
∅ ≤ 0,2
1
2
∅
+ ∅
+
∅ 𝑦 ≤ 1
∅ > 0,2
∅
+8
9
∅
+
∅ 𝑦 ≤ 1
∅ =
1
2
∅
+ 𝑥+ 𝑦
∅ ≤ 1
∅ 𝑥 = ∅ 𝑍𝑥 =
∅ = =
=
∅ =
Fy= 2530 Kg/cm² E= 2100000 Kg/cm²
Ry= 1,5
A= 455 cm² Ix= 81030 cm⁴
bf= 36 cm Iy= 81030 cm⁴
tf= 3,5 cm Zx= 5567 cm³
tw= 3,5 cm Zy= 5567 cm³
d= 36 cm
13,345 cm 13,345 cm
29 cm
29 cm
Ton
Ton-m
Ton-m
15,290
8,286 OK
1726725 Kg
0,9 1726,73 Ton 0,0206
59,161
8,286 OK
H = 2,9 m
0,5 m 2,4 m
5,36 m
48200 cm⁴
3,11 3,11
1,867
1
1,867
≤ ≥
33,6 ≤ 135,7 18383,83 ≥ 1113,2
La resistencia a compresión está dada por el
Pandeo Inelástico
OK OK
DISEÑO DE COLUMNA C2, JUNTA 1CDATOS DEL MATERIAL
DATOS DEL PERFIL
CÁLCULO DE PROPIEDADES
FUERZAS INTERNAS
32,0068
12,622
17,8557
REVISIÓN DEL PANDEO LOCAL
REVISIÓN DEL PANDEO FLEXIONAL
Factor de Longitud Efectiva
= = =
=
= − 2 =
=
=
á = 0,65
R =
á = 2,57
R 1− 1,04𝐶𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝐶𝑎 ≤ 0,114
=
=
=
=
=
= −2 =
á = 0,88
R 2,68 − 𝐶𝑎 ≥ 1,57
R 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝐶𝑎 > 0,114
= ∅ =
= R =
=∅ =
á =
= − =
4,71𝐸
𝐹𝑦 =
2
( )2
0,44𝐹𝑦
𝑦 =
=
2 2
=
=
=
= =
=1,6 +4 + +7,5
+ +7,5=
= =
=
2388,39
978044,26 Kg
978,044 Ton
978,044 > 32,01
0,0327 < 1
2,4 m
676,67 cm
6,767 m
2,4 m
0,9
Si entonces
12676059 Kg-cm
126,76059 Ton-m
126,761 > 12,622
126,761 > 17,8557
0,0996 < 1
0,1409 < 1
Si entonces
Si entonces
0,033
0,257 ≤ 1
REVISIÓN POR FLEXO-COMPRESIÓN
OK
Kg/cm²
Tensión Crítica de Pandeo Inelástico
La resistencia a flexión está dada por Fluencia
OK
OK
Relación Demanda/Capacidad
OK
OK
OK
RESISTENCIA A FLEXIÓN
Longitud no soportada lateralmente
Longitud Límite de Comportamiento Plástico
OK
RESISTENCIA A COMPRESIÓN
OK
Relación Demanda/Capacidad
∅ = ∅ × × =
∅ =
=
= ∅ =
= (0,658
)
∅ =
= 𝐿
= 1,76× ×
=
=
=
∅ =
∅ = ∅ = ∅ × × =
∅ =
∅ = =
= 𝑥∅
=
∅ ≤ 0,2
1
2
∅
+ ∅
+
∅ 𝑦 ≤ 1
∅ > 0,2
∅
+8
9
∅
+
∅ 𝑦 ≤ 1
∅ =
1
2
∅
+ 𝑥+ 𝑦
∅ ≤ 1
∅ 𝑥 = ∅ 𝑍𝑥 =
∅ = =
=
∅ =
MOMENTOS EN LA JUNTA VIGA-COLUMNA
Fy= 2530 Kg/cm² cm³ 5567 cm³
Ry= 1,5 455 cm²
Sh1 (m) Sh2 (m)
0,4 0,4
Q1 (Ton/m) Q2 (Ton/m)
0,43 0,43
Mpb2
Mpb1
L1 (m) L2 (m)
4,66 5,36
3,5 m 4,2 m
91,59 Ton-m 91,59 Ton-m
52,34 Ton 43,61 Ton
0,76 Ton 0,91 Ton
53,09 Ton 42,71 Ton
122,38 Ton-m 116,36 Ton-m
238,74 Ton-m
Puc2 (Ton) 32,0068
134,71 Ton-m
Mpc2
136,93 Ton-m
Mpc1
271,64 Ton-m
Puc1 (Ton) 50,1603
1,138 > 1 0,879 < 1
RELACIÓN COLUMNA FUERTE-VIGA DEBIL, JUNTA 1CDATOS DE MATERIALES Y SECCIONES
SUMATORIA DE MOMENTOS EN LAS VIGAS
Distancia donde ocurre la rótula
plástica (depende de la conexión)
2194Zx viga=
Rótula
Plástica
OK OK
Zx columna=
A columna=
V2
SUMATORIA DE MOMENTOS EN LAS COLUMNAS
V1
0,36
dc (m)
C1
C2
RELACIÓN DE MOMENTOS
= 1,1R =
= −2 − =
= 2
=
= 2=
= + =
= + ( + 2) =
2 = 1,1R =
2 = 2 −2 2 − =
2 = 2 2
2=
2 = 2 22=
2 = 2− 2 =
2 = 2+ 2( 2+ 2) =
= + 2 =
= ( − ) =
2 = ( − 2 ) =
= + 2 =
> 𝟏
< 𝟏
2
2
2
VIGAS INTERIORES IPE450
Fy= 2530 Kg/cm² E= 2100000 Kg/cm²
Ry= 1,5
A= 98,8 cm² Ix= 33740 cm⁴
bf= 19 cm Iy= 1676 cm⁴
tf= 1,46 cm Zx= 1702 cm³
tw= 0,94 cm Sx= 1499,6 cm³
d= 45 cm J= 66,7 cm⁴
r= 2,1 cm
18,48 cm 4,1187 cm
37,88 cm
43,54 cm
791005,07 cm⁶
Tonf - m
Ton
7,5275515
6,5068493 OK
60,455648
40,30 OK
DISEÑO DE VIGA V1, JUNTA 3CDATOS DEL MATERIAL
DATOS DEL PERFIL
CÁLCULO DE PROPIEDADES
FUERZAS INTERNAS
21,6632
14,2241
REVISIÓN DEL PANDEO LOCAL
= = =
=
= − =
= − 2( + ) =
= × 2×
24=
= 2 =
á = 0,32
R =
á = 2,57
R =
=
=
=
=
5,53 m
4 m
216,516 cm
2,17 m
1,1 m OK
208,84 cm
2,088 m
1,1 m
0,9
3875454 Kg-cm
38,75454 Ton-m
38,755 > 21,66
< 1
0,9 1
42 cm
57790,26 Kg
57,79026 Ton
57,790 > 14,22
< 1
Longitud de Arriostramiento
REVISIÓN DE LONGITUD DE ARRIOSTRAMIENTO
L =
Longitud Límite de Comportamiento Plástico
OK
La resistencia a flexión está dada por
Fluencia
RESISTENCIA A FLEXIÓN
OK
Relación Demanda/Capacidad
0,5590 OK
VERIFICACIÓN DEL CORTANTE
OK
Relación Demanda/Capacidad
0,2461 OK
á = 0,095× 𝑟𝑦 ×𝐸
𝑅𝑦𝐹𝑦=
á =
=
( . .+1)=
. . =
= 1,76× ×
=
=
=
∅ =
∅ = ∅ = ∅ × × =
∅ =
∅ = =
∅ = =
= × =
∅ = ∅ 0,6𝐹𝑦 𝐶 =
∅ =
∅ = =
= ∅
=
= ∅ =
Fy= 2530 Kg/cm² E= 2100000 Kg/cm²
Ry= 1,5
A= 98,8 cm² Ix= 33740 cm⁴
bf= 19 cm Iy= 1676 cm⁴
tf= 1,46 cm Zx= 1702 cm³
tw= 0,94 cm Sx= 1499,6 cm³
d= 45 cm J= 66,7 cm⁴
r= 2,1 cm
18,48 cm 4,1187 cm
37,88 cm
43,54 cm
791005,07 cm⁶
Tonf - m
Ton
7,5275515
6,5068493 OK
60,455648
40,30 OK
DISEÑO DE VIGA V2, JUNTA 3CDATOS DEL MATERIAL
DATOS DEL PERFIL
CÁLCULO DE PROPIEDADES
FUERZAS INTERNAS
22,8374
14,3609
REVISIÓN DEL PANDEO LOCAL
= = =
=
= − =
= − 2( + ) =
= × 2×
24=
= 2 =
á = 0,32
R =
á = 2,57
R =
=
=
=
=
6,32 m
4 m
216,516 cm
2,17 m
1,3 m OK
208,84 cm
2,088 m
1,3 m
0,9
3875454 Kg-cm
38,75454 Ton-m
38,755 > 22,84
< 1
0,9 1
42 cm
57790,26 Kg
57,79026 Ton
57,790 > 14,36
< 1
VERIFICACIÓN DEL CORTANTE
OK
OK
Relación Demanda/Capacidad
0,2485
OK
Relación Demanda/Capacidad
0,5893 OK
Longitud Límite de Comportamiento Plástico
OK
La resistencia a flexión está dada por
Fluencia
RESISTENCIA A FLEXIÓN
Longitud de Arriostramiento
REVISIÓN DE LONGITUD DE ARRIOSTRAMIENTO
L =
á =
=
( . .+1)=
. . =
= 1,76× ×
=
=
=
∅ =
∅ = ∅ = ∅ × × =
∅ =
∅ = =
∅ = =
= × =
∅ = ∅ 0,6𝐹𝑦 𝐶 =
∅ =
∅ = =
= ∅
=
= ∅ =
á = 0,095× 𝑟𝑦 ×𝐸
𝑅𝑦𝐹𝑦=
COLUMNAS INTERIORES TUBO 320X320X35
Fy= 2530 Kg/cm² E= 2100000 Kg/cm²
Ry= 1,5
A= 399 cm² Ix= 54830 cm⁴
bf= 32 cm Iy= 54830 cm⁴
tf= 3,5 cm Zx= 4286 cm³
tw= 3,5 cm Zy= 4286 cm³
d= 32 cm
11,7226 cm 11,723 cm
25 cm
25 cm
Ton
Ton-m
Ton-m
15,290
7,143 OK
1514205 Kg
0,9 1514,21 Ton 0,1464
52,447
7,143 OK
H = 3,8 m
0,45 m 3,35 m
6,32 m
33740 cm⁴
2,70 1
1,542
1
1,542
≤ ≥
44,1 ≤ 135,7 10674,31 ≥ 1113,2
La resistencia a compresión está dada por el
Pandeo Inelástico
DISEÑO DE COLUMNA C1, JUNTA 3CDATOS DEL MATERIAL
DATOS DEL PERFIL
CÁLCULO DE PROPIEDADES
FUERZAS INTERNAS
199,5636
13,7937
12,5315
REVISIÓN DEL PANDEO LOCAL
REVISIÓN DEL PANDEO FLEXIONAL
OK OK
Factor de Longitud Efectiva
= = =
=
= − 2 =
=
=
á = 0,65
R =
á = 2,57
R 1− 1,04𝐶𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝐶𝑎 ≤ 0,114
=
=
=
=
=
= −2 =
á = 0,88
R 2,68 − 𝐶𝑎 ≥ 1,57
R 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝐶𝑎 > 0,114
= ∅ =
= R =
=∅ =
á =
= − =
4,71𝐸
𝐹𝑦 =
2
( )2
0,44𝐹𝑦
𝑦 =
=
2 2
=
=
=
= =
=1,6 +4 + +7,5
+ +7,5=
= =
=
2291,06
822720,4 Kg
822,720 Ton
822,720 > 199,56
0,2426 < 1
3,35 m
594,41 cm
5,944 m
3,35 m
0,9
Si entonces
9759222 Kg-cm
97,59222 Ton-m
97,592 > 13,7937
97,592 > 12,5315
0,1413 < 1
0,1284 < 1
Si entonces
Si entonces
0,243
0,482 ≤ 1
REVISIÓN POR FLEXO-COMPRESIÓN
OK
La resistencia a flexión está dada por Fluencia
OK
OK
Relación Demanda/Capacidad
OK
OK
OK
RESISTENCIA A COMPRESIÓN
OK
Relación Demanda/Capacidad
OK
RESISTENCIA A FLEXIÓN
Longitud no soportada lateralmente
Longitud Límite de Comportamiento Plástico
Kg/cm²
Tensión Crítica de Pandeo Inelástico
∅ = ∅ × × =
∅ =
=
= ∅ =
= (0,658
)
∅ =
= 𝐿
= 1,76× ×
=
=
=
∅ =
∅ = ∅ = ∅ × × =
∅ =
∅ = =
= 𝑥∅
=
∅ ≤ 0,2
1
2
∅
+ ∅
+
∅ 𝑦 ≤ 1
∅ > 0,2
∅
+8
9
∅
+
∅ 𝑦 ≤ 1
∅ =
∅ 𝑥 = ∅ 𝑍𝑥 =
∅ = =
=
∅ =
∅
+8
9
∅
+
∅ 𝑦 ≤ 1
Fy= 2530 Kg/cm² E= 2100000 Kg/cm²
Ry= 1,5
A= 399 cm² Ix= 54830 cm⁴
bf= 32 cm Iy= 54830 cm⁴
tf= 3,5 cm Zx= 4286 cm³
tw= 3,5 cm Zy= 4286 cm³
d= 32 cm
11,7226 cm 11,723 cm
25 cm
25 cm
Ton
Ton-m
Ton-m
15,290
7,143 OK
1514205 Kg
0,9 1514,21 Ton 0,1258
52,875
7,143 OK
H = 2,9 m
0,45 m 2,45 m
6,32 m
33740 cm⁴
3,54 3,54
1,958
1
1,958
≤ ≥
40,9 ≤ 135,7 12378,47 ≥ 1113,2
OK OK
DISEÑO DE COLUMNA C2, JUNTA 3CDATOS DEL MATERIAL
DATOS DEL PERFIL
CÁLCULO DE PROPIEDADES
FUERZAS INTERNAS
171,3827
11,3202
17,1599
REVISIÓN DEL PANDEO LOCAL
REVISIÓN DEL PANDEO FLEXIONAL
Factor de Longitud Efectiva
La resistencia a compresión está dada por el
Pandeo Inelástico
= = =
=
= − 2 =
=
=
á = 0,65
R =
á = 2,57
R 1− 1,04𝐶𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝐶𝑎 ≤ 0,114
=
=
=
=
=
= −2 =
á = 0,88
R 2,68 − 𝐶𝑎 ≥ 1,57
R 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝐶𝑎 > 0,114
= ∅ =
= R =
=∅ =
á =
= − =
4,71𝐸
𝐹𝑦 =
2
( )2
0,44𝐹𝑦
𝑦 =
=
2 2
=
=
=
= =
=1,6 +4 + +7,5
+ +7,5=
= =
=
2322,57
834033,79 Kg
834,034 Ton
834,034 > 171,38
0,2055 < 1
2,45 m
594,41 cm
5,944 m
2,45 m
0,9
Si entonces
9759222 Kg-cm
97,59222 Ton-m
97,592 > 11,3202
97,592 > 17,1599
0,1160 < 1
0,1758 < 1
Si entonces
Si entonces
0,205
0,465 ≤ 1
Longitud Límite de Comportamiento Plástico
OK
RESISTENCIA A COMPRESIÓN
OK
Relación Demanda/Capacidad
REVISIÓN POR FLEXO-COMPRESIÓN
OK
Kg/cm²
Tensión Crítica de Pandeo Inelástico
La resistencia a flexión está dada por Fluencia
OK
OK
Relación Demanda/Capacidad
OK
OK
OK
RESISTENCIA A FLEXIÓN
Longitud no soportada lateralmente
∅ = ∅ × × =
∅ =
=
= ∅ =
= (0,658
)
∅ =
= 𝐿
= 1,76× ×
=
=
=
∅ =
∅ = ∅ = ∅ × × =
∅ =
∅ = =
= 𝑥∅
=
∅ ≤ 0,2
1
2
∅
+ ∅
+
∅ 𝑦 ≤ 1
∅ > 0,2
∅
+8
9
∅
+
∅ 𝑦 ≤ 1
∅ =
∅ 𝑥 = ∅ 𝑍𝑥 =
∅ = =
=
∅ =
∅
+8
9
∅
+
∅ 𝑦 ≤ 1
MOMENTOS EN LA JUNTA VIGA-COLUMNA
Fy= 2530 Kg/cm² cm³ 4286 cm³
Ry= 1,5 399 cm²
Sh1 (m) Sh2 (m)
0,4 0,4
Q1 (Ton/m) Q2 (Ton/m)
3,94 3,94
Mpb2
Mpb1
L1 (m) L2 (m)
5,53 6,32
4,41 m 5,2 m
71,05 Ton-m 71,05 Ton-m
32,22 Ton 27,33 Ton
8,69 Ton 10,24 Ton
40,91 Ton 17,08 Ton
93,96 Ton-m 80,62 Ton-m
174,58 Ton-m
Puc2 (Ton) 171,3827
87,00 Ton-m
Mpc2
90,03 Ton-m
Mpc1
177,03 Ton-m
Puc1 (Ton) 199,5636
1,014 > 1 0,986 < 1
OK OK
Zx columna=
A columna=
V2
SUMATORIA DE MOMENTOS EN LAS COLUMNAS
V1
0,32
dc (m)
C1
C2
RELACIÓN DE MOMENTOS
RELACIÓN COLUMNA FUERTE-VIGA DEBIL, JUNTA 3CDATOS DE MATERIALES Y SECCIONES
SUMATORIA DE MOMENTOS EN LAS VIGAS
Distancia donde ocurre la rótula
plástica (depende de la conexión)
1702Zx viga=
Rótula
Plástica
= 1,1R =
= −2 − =
= 2
=
= 2=
= + =
= + ( + 2) =
2 = 1,1R =
2 = 2 −2 2 − =
2 = 2 2
2=
2 = 2 22=
2 = 2− 2 =
2 = 2+ 2( 2+ 2) =
= + 2 =
= ( − ) =
2 = ( − 2 ) =
= + 2 =
> 𝟏
< 𝟏
2
2
2
SISTEMA DE PISO MIXTO
A= 39,1 cm² Fy= 2530 Kg/cm²
bf= 12 cm E= 2100000 Kg/cm²
tf= 0,98 cm
tw= 0,62 cm
d= 24 cm
r= 1,5 cm
19,04 cm
tc= 5 cm f´c= 210 Kg/cm²
t= 10,5 cm
Tonf - m
Ton
5,36 m
1,2 m
1,34 m
1,2 m
10,948
6,1224 OK
108,33
30,71 OK
0,9 1
14,9 cm
20329 Kg
20,329 Ton
20,329 > 3,25
0,1597 < 1
DISEÑO DE CORREA (VIGA MIXTA)DATOS DE PERFIL DE CORREA
DATOS DE SECCIÓN DE CONCRETO
ANCHO EFECTIVO DE LA SECCIÓN COMPUESTA
REVISIÓN DEL PANDEO LOCAL DE LA CORREA
Se escoge el menor valor
Separación centro a centro entre vigas
Longitud de viga
4,3152
3,2471
FUERZAS INTERNAS
OK
VERIFICACIÓN DEL CORTANTE
Relación Demanda/Capacidad
OK
≤𝐿 𝑖𝑔𝑎
4=
≤
=
𝐿 𝑖𝑔𝑎 =
=
= 2 =
á = 0,38
=
á = 3,76
=
=
=
= − 2( + ) =
=
=
∅ = =
= × =
∅ = ∅ 0,6𝐹𝑦 𝐶 =
∅ =
∅ = =
= ∅ =
98923 Kg
107100 Kg
4,62 cm
0,85
2E+06 Kg-cm
16,98 Ton-m
16,977 > 4,32
0,2542 < 1
4200 Kg/cm² 1
1,27 cm 0,6
6,35 cm
1,55 cm OK
5,08 cm OK
168
103692
1,267 cm²
2643,591 Kg ≤ 3192,3 Kg
Número de Conectores 20
Separación entre Conectores 27 cm
7,62 cm OK
84 cm OK
CONECTOR DE CABEZA REDONDA N/S - 500/250 (1/2"x 2 1/2")
Kg/cm²
OK
CÁLCULO DE LOS CONECTORES DE CORTE
Kg/cm²
RESISTENCIA A FLEXIÓN
Equilibrio interno en la sección
OK
OK
Relación Demanda/Capacidad
= 𝑠× 𝐹𝑦 =
𝐶 = 0,85× 𝑓 𝑐 × 𝑏𝑒× 𝑡 =
𝐹𝑥 = 0 𝑪 = 𝑻
0,85 ×𝑓 𝑐 × 𝑏𝑒 ×𝑎 = 𝑇
𝑎 =𝑇
0,85× 𝑓 𝑐 × 𝑏𝑒=
∅ = ∅ ×𝑇𝑑
2+ 𝑡 −𝑎
2=
∅ =
∅ =
∅ = =
= ∅
=
𝑓 ∗ = 0,8𝑓 =
= 0.5 𝑠 𝑓𝑐∗𝐸 ≤ 𝑅𝑔𝑅𝑝 𝑠 𝐹𝑢
𝐹𝑢 = 𝑅𝑔 =
𝑅𝑝=
𝐸 = 8000 𝑓𝑐∗ =
𝑑𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜 =
𝑠 = ×𝑑𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜
2
4=
𝐿𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜 =
𝑚𝑎𝑥 = 2,5 ∗ 𝑡 =
𝐿𝑚𝑖𝑛 = 4(𝑑𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜) =
𝑆 =
𝑆𝑚𝑖𝑛 = 6 𝑑𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜 =
𝑆𝑚𝑎𝑥 = 8 𝑡 =
𝑁 =
Universidad de Guayaquil
Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas
Escuela de Ingeniería Civil
UNIDAD DE TITULACION Telf: 2283348
ANEXO 10
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA
FICHA DE REGISTRO DE TESIS/TRABAJO DE GRADUACIÓN
TÍTULO Y SUBTÍTULO:
Diseño estructural sismo resistente en acero y análisis sísmico modal espectral de un edificio de 8 niveles ubicado en la ciudad de Guayaquil.
AUTOR/ES: Cabrera Ordóñez Johnny Xavier
REVISOR(ES)/TUTOR(ES): Ing. Marcelo Moncayo Theurer, MSc./ Ing. Raúl Robalino Díaz, MSc.
INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil.
UNIDAD/FACULTAD: Ciencias Matemáticas y Físicas.
MAESTRIA/ESPECIALIDAD:
GRADO OBTENIDO:
FECHA DE PUBLICACIÓN:
2019 No. DE PÁGINAS:
107
ÁREAS TEMÁTICAS: Diseño sismorresistente de un edificio de 8 niveles en acero.
PALABRAS CLAVES KEYWORD:
< DISEÑO – ACERO – SISMO RESISTENTE – ANÁLISIS - DINÁMICO >
RESUMEN/ASBTRACT: Este trabajo de titulación tiene como objetivo garantizar que un edificio de 8 niveles
en acero, ubicado en Guayaquil, sea sismorresistente y ofrezca un comportamiento adecuado.
Mediante el uso de las normas NEC 2015, y el reglamento AISC se diseñan los elementos estructurales a fin de obtener perfiles metálicos óptimos para soportar las cargas gravitacionales y de acción sísmica.
Con el uso del software ETABS 2016, se modela la estructura para determinar cuál será la respuesta dinámica de dicha edificación ante un sismo, determinando entre varios aspectos el período fundamental dinámico, los modos de vibración de la estructura y los desplazamientos laterales máximos.
Además se diseñan los elementos a flexión para el caso de las vigas y a flexo-compresión en el caso de las columnas; además de verificar ambos miembros por pandeo local. La relación “Demanda/Capacidad” de los elementos estructurales y la relación Columna Fuerte - Viga Débil también son verificadas.
Este trabajo de titulación está enfocado en cumplir los criterios estructurales, la filosofía de diseño sismorresistente en acero y las normativas vigentes.
ADJUNTO PDF: SI NO
CONTACTO CON AUTOR/ES Teléfono: 0989952586 E-mail: [email protected]
CONTACTO EN LA INSTITUCIÓN:
Nombre: FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
Teléfono: 2-283348
E-mail: