Diseño de un edificio que te enseña a diseñar un edificio de 6 pisos ., Monografías, Ensayos de Diseño

¡Descarga Diseño de un edificio que te enseña a diseñar un edificio de 6 pisos . y más Monografías, Ensayos en PDF de Diseño solo en Docsity! Lima, octubre del 2012 ASESOR: Antonio Blanco Blasco Aníbal Tafur Gutiérrez PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA DISEÑO ESTRUCTURAL DE UN EDIFICIO DE VIVIENDA, Tesis para optar el Título de Ingeniero Civil, que presenta el bachiller: CON UN SÓTANO Y SEIS PISOS, UBICADO EN MAGDALENA RESUMEN El presente trabajo consiste en realizar el diseño estructural de un edificio de un sótano y 6 pisos, destinado a vivienda multifamiliar, ubicado en Magdalena del Mar, en la ciudad de Lima. El lote donde se construirá el edificio tiene un área total de 1,350 m2. El edificio consta de 22 departamentos, 2 en el primer piso y 4 en cada piso restante; además de 44 estacionamientos distribuidos en el sótano y en una playa de estacionamiento, ubicada en la parte trasera del primer piso. El suministro de agua se realizará mediante un sistema de cisterna y bomba hidroneumática, sin tanque elevado. La cisterna se ubica en el sótano del edificio. La profundidad de cimentación es variable, teniendo una profundidad máxima de -3.20 m. El suelo donde se cimentará la estructura tiene una capacidad admisible de 4 kg/cm2. El sostenimiento de taludes se realizará mediante calzaduras temporales de concreto ciclópeo. El sistema estructural del edificio está conformado por placas (muros de corte), columnas y vigas. Para los techos se usaron losas aligeradas armadas en un sentido y losas macizas armadas en dos sentidos, las cuales además funcionan como diafragmas rígidos en cada piso del edificio. La cimentación está conformada por zapatas aisladas, zapatas combinadas y cimientos corridos. Tanto el análisis como el diseño estructural se desarrollaron dentro del marco normativo del Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE), y las Normas que lo componen. Se realizó el análisis sísmico para comprobar que el sistema sismorresistente del edificio cumpla con los requisitos especificados en la Norma E.030 del RNE, además se obtuvo las cargas sísmicas en cada elemento. El modelo sísmico se analizó con la asistencia de un computador, mediante el programa ETABS. Se analizaron las cargas de gravedad realizando el metrado de cargas para cada elemento y asignando dichas cargas al modelo estructural correspondiente. Las losas macizas y las zapatas combinadas se modelaron usando el método de elementos finitos FEM, con la asistencia del programa SAP2000. El diseño en concreto armado se realizó cumpliendo con lo especificado en la Norma E.060 del RNE, la cual se basa en el método de diseño LRFD (Load and Resistance Factor Design). ÍNDICE CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN 1.1 Descripción del proyecto…..………………………………………………………………………..……... 1 1.2 Metodología de diseño…….…………………………………………………………………..…………… 2 1.3 Materiales seleccionados……………………….………………………………………….…..………….. 3 CAPÍTULO 2: ESTRUCTURACIÓN 2.1 Consideraciones generales………………….……………………………………………….……….…… 4 2.2 Estructuración del edificio…………………….………………………………………………...……….… 5 CAPÍTULO 3: PREDIMENSIONAMIENTO 3.1 Predimensionamiento de losas aligeradas…………………………………………………………….… 9 3.2 Predimensionamiento de losas macizas……………………………………………………………….... 9 3.3 Predimensionamiento de vigas……………………………………………………………………….…... 10 3.3.1 Vigas con responsabilidad sísmica………………………………………………………….….. 10 3.3.2 Vigas secundarias……………………………………………………………………….…….….. 11 3.4 Predimensionamiento de columnas…………………………………………………………….………… 12 3.5 Predimensionamiento de placas (muros de corte)…………………………………………..………….. 13 3.6 Predimensionamiento de la cisterna……………………………………………………………………… 14 CAPÍTULO 4: METRADO DE CARGAS 4.1 Consideraciones generales………………………………………………………………….…………….. 15 4.2 Metrado de cargas en losas aligeradas………………………………………………………………….. 16 4.3 Metrado de cargas en losas macizas…………………………………………………………………….. 17 4.4 Metrado de cargas en vigas……………………………………………………………….………………. 18 4.5 Metrado de cargas en columnas y placas……………………………………………………………….. 19 CAPÍTULO 5: ANÁLISIS SÍSMICO 5.1 Generalidades………………………………………………………………………………………………. 20 5.2 Análisis preliminar………………………………………………………………………………………….. 20 5.2.1 Zonificación……………………………………………………………………………….……….. 20 5.2.2 Condiciones geotécnicas………………………………………………………………………… 21 5.2.3 Factor de amplificación sísmica…………………………………………………………………. 21 5.2.4 Categoría de la edificación………………………………………………………………………. 21 5.2.5 Sistema estructural……………………………………………………………………………….. 21 5.2.6 Configuración estructural………………………………………………………………………… 22 5.3 Análisis modal………………………………………………………………………………………………. 23 5.3.1 Modelo para el análisis…………………………………………………………………………… 23 5.3.2 Análisis de resultados……………………………………………………….……………………. 24 5.4 Análisis estático……………………………………………………………………….……………………. 24 5.4.1 Peso del edificio……………………………………………………………….………………….. 25 5.4.2 Fuerza cortante en la base………………………………………………………………………. 25 5.5 Análisis dinámico…………………………………………………………………………………………… 26 5.5.1 Aceleración espectral…………………………………………………………………………….. 26 5.5.2 Estimación de la respuesta máxima……………………………………………………………. 27 5.5.3 Fuerza cortante mínima en la base…………………………………………….……………….. 27 5.5.4 Control de desplazamientos laterales………………………………………………………….. 28 5.5.5 Control de los efectos de segundo orden (P-Delta)…………………………………………… 29 5.5.6 Estabilidad al volteo………………………………………………………………………………. 30 5.5.7 Análisis considerando conexión flexible……………………………………….……………..... 30 CAPÍTULO 6: DISEÑO DE LOSAS ALIGERADAS 6.1 Análisis estructural……………………………………………………………………………..…………… 33 6.2 Diseño por flexión………………………………………………………………………………..…………. 33 6.3 Diseño por corte…………………………………………………………………………………..………… 34 6.4 Refuerzo por contracción y temperatura……………………………………………………….………… 34 6.5 Corte del refuerzo………………………………………………………………………………….……….. 35 6.6 Control de deflexiones…………………………………………………………………………….……….. 35 6.7 Ejemplo de diseño………………………………………………………………………………………….. 35 CAPÍTULO 7: DISEÑO DE LOSAS MACIZAS 7.1 Análisis estructural…………………………………………………………………………….……………. 39 7.2 Diseño por flexión……………………………………………………………………………….………….. 39 7.3 Diseño por corte………………………………………………………………………………….…………. 40 7.4 Ejemplo de diseño……………………………………………………………………………….…………. 40 CAPÍTULO 8: DISEÑO DE VIGAS 8.1 Análisis estructural……………………………………………………………………………….…………. 45 8.2 Diseño por flexión…………………………………………………………………………………..………. 45 8.3 Diseño por corte…………………………………………………………………………………….………. 46 8.4 Control de deflexiones……………………………………………………………………………….…….. 48 8.5 Control de la fisuración……………………………………………………………………………….……. 48 8.6 Corte del refuerzo……………………………………………………………………………………….….. 49 8.7 Empalmes por traslape del refuerzo………………………………………………………………….…... 50 8.8 Ejemplo de diseño……………………………………………………………………………………….…. 52 CAPÍTULO 9: DISEÑO DE COLUMNAS 9.1 Análisis estructural………………………………………………………………………….………………. 59 9.2 Diseño por flexocompresión uniaxial……………………………………………………….…………….. 59 9.3 Diseño por flexión biaxial…………………………………………………………………….…………….. 59 9.4 Efectos de la esbeltez……………………………………………………………………………………… 60 9.4.1 Estructuras sin desplazamiento lateral…………………………………………………………. 60 9.4.2 Estructuras con desplazamiento lateral………………………………………………………… 61 9.5 Diseño por corte…………………………………………………………………………………..………… 62 9.6 Empalmes por traslape del refuerzo……………………………………………………………………… 64 9.7 Ejemplo de diseño………………………………………………………………………………………….. 65 CAPÍTULO 10: DISEÑO DE PLACAS (MUROS DE CORTE) 10.1 Análisis estructural………………………………………………………………………………………… 69 10.2 Refuerzo mínimo horizontal y vertical………………………………………………………….……….. 69 10.3 Diseño por flexión………………………………………………………………………………….……… 69 10.3.1 Muros esbeltos (H/L>1)………………………………………………………………….……… 69 10.3.2 Muros bajos (H/L<1)……………………………………………………………………….……. 69 10.4 Diseño por corte……………………………………………………………………………………….….. 70 10.5 Empalmes por traslape del refuerzo………………………………………………………………….…. 71 10.6 Ejemplo de diseño…………………………………………………………………………………….…... 71 CAPÍTULO 11: DISEÑO DE CIMENTACIONES 11.1 Diseño de zapatas aisladas……………………………………………………………………………… 74 11.1.1 Análisis estructural………………………………………………………………….…………… 74 11.1.2 Dimensionamiento por presión admisible………………………………………….…………. 75 11.1.3 Reacción amplificada del suelo………………………………………………………………... 76 11.1.4 Verificación del corte por punzonamiento…………………………………………………….. 77 11.1.5 Verificación del corte por flexión……………………………………………………………….. 77 11.1.6 Diseño por flexión……………………………………………………………………….………. 78 11.1.7 Ejemplo de diseño………………………………………………………………………………. 78 11.2 Diseño de zapatas combinadas…………………………………………………………………………. 81 11.2.1 Ejemplo de diseño………………………………………………………………………………. 82 CAPÍTULO 12: DISEÑO DE ELEMENTOS ADICIONALES 12.1 Diseño de escaleras………………………………………………………………………………….…… 87 12.2 Diseño de muros de sótano…………………………………………………………………………..….. 89 12.3 Diseño de la cisterna………………………………………………………………………………….….. 91 12.4 Diseño de calzaduras…………………………………………………………………………………….. 94 CONCLUSIONES……………………………………………………………………………………………..… 98 BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………………………. 100 LISTA DE FIGURAS 2.2.1 Arquitectura del piso típico…………………………………………………………………………... 7 2.2.2 Estructuración del piso típico………………………………………………………………………... 8 3.4.1 Área de techo que carga la columna analizada...……………………………………………….... 12 4.2.1 Vigueta a analizar para el metrado de cargas………………………………………………….…. 16 4.2.2 Cargas actuantes en condición de servicio sobre la vigueta analizada………………………... 17 4.3.1 Losa maciza a analizar para el metrado de cargas…………………………………………….… 17 4.4.1 Viga a analizar para el metrado de cargas………………………………………………………... 18 5.2.1.1 Zonas sísmicas según la Norma E.030………………………………………………………….… 20 5.2.6.1 Irregularidad en planta del edificio…………………………………………….……………….…… 22 5.3.1.1 Vistas en 3D del modelo estructural……………………………………………………………..…. 23 5.5.1.1 Curva de los valores del espectro de diseño……………………….………………………….….. 27 5.5.7.1 Diafragmas asumidos para analizar la conexión flexible……………………………………..….. 30 5.5.7.2 Fuerza cortante actuando en la conexión flexible…………………………………………….…... 32 6.1 Características geométricas de una losa aligerada (Harmsen, 2002)……………………….…. 33 6.5.1 Corte del refuerzo en tramos exteriores e interiores de las viguetas…………………………... 35 6.7.1 Modelo estructural y diagramas de fuerzas internas de la vigueta en estudio……………….. 36 6.7.2 Distribución final del refuerzo en la losa aligerada analizada…………………………………… 38 7.4.1 Vista del modelo estructural de la losa maciza……………………………………………….…… 40 7.4.2 Diagrama de momentos de la losa maciza en la dirección X-X (ton-m/m)……………….….… 41 7.4.3 Diagrama de momentos de la losa maciza en la dirección Y-Y (ton-m/m)…………….….…… 41 7.4.4 Diagrama de fuerzas cortantes de la losa maciza en la dirección X-X (ton/m)…………….…. 43 7.4.5 Diagrama de fuerzas cortantes de la losa maciza en la dirección Y-Y (ton/m)…………….…. 43 7.4.6 Distribución final del refuerzo en la losa maciza analizada……………………………………… 44 8.2.1 Disposiciones para el diseño sísmico por flexión según la Norma E.060 (Blanco, 1994)….... 46 8.3.1 Disposiciones para el diseño sísmico por corte según la Norma E.060 (Blanco, 1994)……... 48 8.5.1 Control de la fisuración………………………………………………………………………………. 49 8.6.1 Consideraciones para el corte del refuerzo según la Norma E.060 (Ottazzi, 2010)………….. 50 8.7.2 Consideraciones para especificar las zonas de empalme del refuerzo (Blanco, 1994)……… 51 8.8.1 Esquema de la viga a diseñar………………………………………………………………………. 52 8.8.2 Envolvente de momentos flectores para la viga a diseñar (ton-m)…………………………….. 52 8.8.3 Esquema del refuerzo calculado por flexión para la viga del ejemplo…………………………. 53 8.8.4 Puntos teóricos de corte del refuerzo (cotas en cm)……………………………………………... 54 8.8.5 Distribución final del refuerzo por flexión para la viga en estudio…………………………….… 54 8.8.6 Envolvente de fuerzas cortantes para la viga en estudio (ton)…………………………….……. 55 8.8.7 Fuerzas cortantes relacionadas con la capacidad en los apoyos………………….………. 56 8.8.8 Fuerzas cortantes y envolventes de diseño calculadas por capacidad……………….……….. 56 8.8.9 Envolvente de fuerzas cortantes con el sismo amplificado por 2.5…………………….………. 57 8.8.10 Diagrama de momentos flectores en condición de servicio para la viga en estudio…….…… 58 9.5.1 Fuerza cortante de diseño en columnas según la Norma E.060………………………….…..... 62 10.6.2 Combinaciones de carga Pu y Mu para la columna en estudio……………………………….. 71 11.1.7.1 Cargas obtenidas del análisis estructural para la zapata aislada a diseñar…………………. 79 11.1.7.2 Cálculo del refuerzo por flexión para la zapata del ejemplo…………………………………… 81 11.2.1.1 Cargas obtenidas del análisis estructural para la zapata combinada a diseñar…………….. 82 11.2.1.2 Coordenadas del centro de gravedad para cada elemento……………………………………. 83 11.2.1.3 Cargas totales reducidas al centro de gravedad de la zapata combinada………………….. 83 11.2.1.4 Cálculo de la presión máxima sobre el suelo para la zapata combinada……………………. 83 11.2.1.5 Parámetros de los elementos para la verificación por punzonamiento………………………. 84 11.2.1.6 Cálculo del refuerzo requerido por flexión para la zapata combinada en estudio………….. 85 - 1 - CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Descripción del proyecto El presente trabajo consiste en realizar el diseño en concreto armado y elaborar los planos de estructuras de un edificio de 6 pisos y un sótano, destinado a vivienda multifamiliar, ubicado en el distrito de Magdalena del Mar - Lima. El terreno donde se levantará el edificio tiene una forma rectangular y 1,350 m2 de área. Tiene un frente de 27 m y un fondo de 50 m. El área techada es de 3,405 m2 y el edificio consta de 22 departamentos, 2 en el primer piso y 4 en cada uno de los 5 pisos restantes. El edificio cuenta con 44 estacionamientos distribuidos de la siguiente manera: 4 en la parte frontal del primer piso (fachada), 19 en la parte trasera del primer piso y 21 en el sótano. Se tiene en total tres rampas de acceso vehicular, dos que van desde la calle hacia el estacionamiento trasero del primer piso y una desde la calle hacia el estacionamiento del sótano. Además se cuenta con una escalera principal que empieza en el primer piso y termina en la azotea, una escalera auxiliar que conecta el sótano con el primer piso, y una rampa para discapacitados en el ingreso frontal principal. En el sótano, además de los estacionamientos, se ubican la cisterna, el cuarto de bombas, el cuarto de basura, cuatro depósitos, y el hall de ascensores. El ascensor conecta desde el sótano hasta el sexto nivel. El sistema de suministro de agua se realiza mediante una bomba hidroneumática, sin tanque elevado. En el primer nivel se cuenta con tres halls de ingreso: uno desde la calle (principal), uno desde el ingreso vehicular lateral derecho y uno desde los estacionamientos de la parte trasera, todos los cuales conducen al hall de ascensores. Además se ubican seis depósitos y dos departamentos de 110 m2 cada uno. Cada departamento cuenta con acceso directo desde el ascensor, sala, comedor, sala de estar, lavandería, jardín, dos servicios higiénicos, dos dormitorios, un cuarto de uso diverso y un cuarto de servicio con su respectivo cuarto de baño. A partir del segundo hasta el sexto piso se ubican cuatro departamentos por nivel, con un área de 114 m2 cada uno. Cada departamento cuenta con los mismos ambientes que los del primer piso, además de una terraza. En la azotea se cuenta con el cuarto de máquinas del ascensor. Para el diseño de la estructura resistente principal del edificio se considerará el uso de losas aligeradas en una dirección, losas macizas, vigas peraltadas, vigas chatas, columnas y placas (muros de corte). 1.2 Metodología de diseño El diseño del edificio se realizará dentro del marco normativo del “Reglamento Nacional de Edificaciones” (RNE), el cual a su vez se subdivide en varios capítulos o normas. En la siguiente tabla se muestra las Normas a las cuales nos referiremos durante el análisis y diseño de los diferentes elementos estructurales que conforman el edificio. - 2 - Tabla 1.2.1 Normas del RNE citadas en el presente trabajo. Norma Versión E.020 Cargas Mayo, 2006 E.030 Diseño sismorresistente Mayo, 2006 E.050 Suelos y cimentaciones Mayo, 2006 E.060 Concreto armado Julio, 2009 IS.010 Instalaciones sanitarias para edificaciones Mayo, 2006 En primer lugar, antes de proceder al diseño, se debe realizar una estructuración adecuada del edificio, teniendo en cuenta los planos de arquitectura y una serie de criterios que serán descritos en el Capítulo 2. Luego se procede a predimensionar los elementos estructurales para después metrar las cargas que obran sobre estos elementos y realizar el análisis estructural de los mismos. Una vez obtenidas las solicitaciones, se diseñan los elementos estructurales, de acuerdo a cada caso. De acuerdo al artículo 9.1.1 de la Norma E.060, el principio básico del diseño por resistencia (método LRFD), es diseñar los elementos estructurales para obtener en todas sus secciones resistencias de diseño ( ) por lo menos iguales a las resistencias requeridas ( ). Asimismo, la Norma E.060 en su artículo 9.3.1 indica el procedimiento para calcular estas resistencias de diseño ( ). Deben tomarse como la resistencia nominal calculada de acuerdo con los requisitos y suposiciones de la Norma, multiplicada por los factores de reducción de resistencia ( ) especificados en la siguiente tabla, dependiendo del tipo de solicitación a analizar. Tabla 1.2.2 Factores de reducción de carga (ɸ) según la Norma E.060. Solicitación Factor de Reducción ( ) Flexión 0.90 Tracción y flexo-Tracción 0.90 Cortante 0.85 Torsión 0.85 Cortante y torsión 0.85 Compresión y flexocompresión: - Elementos con espirales - Elementos con estribos 0.75 0.70 Aplastamiento en el concreto 0.70 Zonas de anclaje del post-tensado 0.85 Concreto simple 0.65 Por otro lado, en su sección 9.2 la Norma E.060 indica el procedimiento para calcular las resistencias requeridas ( ), mediante combinaciones de carga y factores de amplificación que obedecen a la variabilidad en la medición de las cargas y la precisión de los métodos de análisis estructural. La resistencia requerida ( ) deberá ser como mínimo el mayor valor de las siguientes combinaciones: - 5 - Diafragmas Rígidos Al realizar el modelo de un edificio regularmente se asume que cada piso se comporta como una unidad. Esto se debe a que las losas, ya sean aligeradas o macizas, presentan una gran rigidez en su plano, por lo que sería válido asumir que todos los elementos que estén conectados por la losa tienen la misma deformación lateral. Pero siempre es necesario asegurarse que esta hipótesis sea correcta, comprobando que las losas no presenten cambios en su rigidez, y si esto sucede, realizar las medidas correctivas ya sea en el modelo o en la estructuración. Si se presentan reducciones de sección importantes en losas, o se tienen estructuras irregulares en altura o en planta, es conveniente separarlas mediante juntas sísmicas debidamente diseñadas de manera que queden divididas en estructuras independientes que presenten diafragmas mejor definidos. 2.2 Estructuración del edificio En la figura 2.2.1 de la página 7 se muestra la arquitectura del piso típico del edificio, el cual nos servirá de referencia para estructurar el edificio. En la figura 2.2.2 de la página 8 se muestra la estructuración final del edificio, a continuación se explican y describen algunos de sus aspectos.  La estructuración se realizará mediante pórticos formados por placas, columnas y vigas peraltadas; dispuestos en las direcciones X-X e Y-Y. Un primer detalle que salta a la vista es la simetría de la arquitectura, por lo que aprovechando esta condición se definirán dos bloques laterales delimitados por los ejes 2-6 y 12-16, los cuales tendrán la misma estructuración y estarán unidos por un área intermedia donde se encuentran los ascensores. El hecho que la estructura sea simétrica es una gran ventaja ya que los efectos de torsión no serán significativos. Nótese la importante reducción en planta que sufre el piso, se analizará más adelante en la estructuración de los techos.  Los primeros elementos a distribuir serán las placas. Notamos que en los ejes B e I se cuentan con paños cerrados y continuos en las caras laterales del edificio, por lo tanto se decide colocar placas corridas sobre dichos ejes en cada bloque. Con estas 4 placas ya se tiene abundante rigidez lateral en la dirección X-X.  En la dirección Y-Y notamos que no se pueden colocar placas tan largas como en X-X, pero se pueden habilitar varias placas de menor longitud, como por ejemplo en los ejes 6, 8, 10 y 12; en el cajón de la escalera y en el cajón de los ascensores. Además, donde la arquitectura lo permita, se distribuyen columnas en el interior de los bloques laterales para trasmitir las cargas verticales y aportar a la rigidez lateral del edificio.  Las vigas se ubicarán para terminar de formar los pórticos con las columnas y placas, se tratará de tener siempre vigas peraltadas en la medida que la arquitectura lo permita. En lugares donde se encuentran tabiques paralelos al aligerado se usaron vigas chatas para tomar las cargas y transmitirlas directamente a las vigas.  Para los techos de los bloques laterales se usarán losas aligeradas armadas en una dirección como se muestra en la figura 2.2.2, donde las viguetas se indican con líneas - 6 - discontinuas en la dirección del armado. Por otro lado, viendo la reducción en planta antes mencionada se tenía dos alternativas, o independizar la parte central de los bloques laterales mediantes juntas, o rigidizar la parte central, entonces se decidió habilitar una losa maciza que aporte una mayor rigidez al diafragma, para así poder analizar toda la planta como una sola unidad. Dicha losa maciza se encuentra indicada con un achurado.  La estructuración de la zona de estacionamientos en el sótano es mucho más simple (ver plano A-01 del Anexo). Se vio por conveniente separar el estacionamiento de la estructura principal mediante una junta sísmica, para poder analizarlo independientemente. De tal forma que nos encontramos con un simple techo que será cargado por vigas peraltadas, las cuales se apoyarán en columnas con secciones mínimas.  Se usarán muros de contención alrededor del sótano. En cuanto a la cimentación se usarán cimientos corridos para los muros de contención y placas de longitud importante; y zapatas aisladas para columnas y placas de menor tamaño. Considerando la forma del sótano, se cimentarán en la base del primer piso las placas y columnas del bloque izquierdo; mientras que se cimentarán en la base del sótano las placas y columnas del bloque derecho.  Cabe resaltar que todo este plan de estructuración necesita ser verificado mediante un análisis sísmico, el cual se realiza en el Capítulo 5. - 7 - F ig u ra 2 .2 .1 A rq u it e c tu ra d e l p is o t íp ic o . X Y - 10 - Para nuestro caso, en la losa más extensa (zona central del piso típico) tenemos una luz de 9m y un perímetro de 40 m. Aplicando las igualdades tenemos: Además, la Norma E.060 en su artículo 21.11.4 especifica un espesor mínimo de 5 cm para elementos que actúan como diafragmas rígidos, para asegurar una distribución adecuada de las cargas laterales. Si se aprecia la forma irregular de la losa maciza, la presencia de placas de gran rigidez en sus bordes y tomando en cuenta que no existen tabiques sobre el paño, podemos considerar un espesor menor al recomendado, el cual se deberá comprobar en el análisis sísmico y durante el cálculo del refuerzo. Se elige 15 cm como espesor de todas las losas macizas del edificio. 3.3 Predimensionamiento de vigas Para el caso de las vigas es necesario diferenciar entre dos casos, las vigas que forman parte del sistema sismorresistente y las vigas secundarias que no forman pórticos, y por lo tanto, no reciben solicitaciones sísmicas. 3.3.1 Vigas con responsabilidad sísmica Para el caso de las vigas sísmicas la Norma E.060 en su artículo 21.5.1.2 indica que la luz libre del elemento en cuestión no debe ser menor que cuatro veces su peralte. Esto es porque para luces muy pequeñas predominan las fuerzas cortantes sobre los momentos flectores, invalidando las hipótesis de diseño por flexión. Para nuestro caso la luz crítica para dicho requerimiento es la del tramo central de la viga ubicada en el eje 6 (ver figura 2.2.2), la cual está ubicada entre dos placas de gran rigidez. La longitud de este tramo es de 2.80 m. Aplicando la desigualdad tenemos: Además, se recomienda considerar un peralte del orden de 1/12 a 1/10 de la luz libre (Blanco, 1994). En los ejes 2 y 16 del piso típico (ver figura 2.2.2) los tramos centrales de las vigas tienen una luz libre 6.45 m, siendo las luces máximas presentes en todo el edificio. Visto lo anterior, se elige un peralte de 60 cm para todas las vigas peraltadas que formen parte de pórticos con responsabilidad sísmica. En cuanto al ancho de las vigas la Norma E.060 en su artículo 21.5.1.3 indica que ésta no debe ser menor de 0.25 veces el peralte ni de 25 cm. Salvo que se tengan vigas de gran peralte, controlará la segunda condición. Se elige 25x60 cm para todas las vigas con responsabilidad sísmica. - 11 - 3.3.2 Vigas secundarias Dado que las vigas secundarias sólo reciben cargas de gravedad, sus dimensiones pueden ser disminuidas respecto de las especificadas para vigas sísmicas, teniendo en cuenta también la arquitectura del edificio. Para las vigas peraltadas que no formen pórticos con responsabilidad sísmica se consideran dimensiones de 20x50 cm y 25x50 cm. Un caso especial de vigas secundarias son las vigas chatas en las cuales el peralte está definido por el espesor de la losa que las rodea y normalmente se usan cuando existe tabiquería en la dirección del armado de una losa aligerada. En estos casos sólo se dimensiona el ancho de la viga para tratar de satisfacer el requerimiento de resistencia por fuerza cortante. La resistencia de la sección se calcula despreciando el aporte del acero, ya que normalmente en las vigas chatas sólo se usan estribos de montaje. Aunque pueden presentarse casos excepcionales donde las fuerzas cortantes sean importantes y sería necesario colocar estribos con un espaciamiento adecuadamente diseñado. Según la Norma E.060 artículo 11.3.1.1, la resistencia nominal al corte de una sección rectangular de concreto viene dada por la siguiente expresión. √ Donde: = Resistencia al corte de la sección = Resistencia a la compresión del concreto = Ancho de la sección = Peralte efectivo Y además sabemos que la resistencia de diseño debe ser mayor que la resistencia requerida , con = 0.85 para solicitaciones de corte. Entonces usando estas dos condiciones podemos obtener una expresión para hacer un cálculo tentativo del ancho de una viga chata: √ Por ejemplo, en el sótano (ver plano E-06 del Anexo) se tiene una viga chata de 4.90 m de largo que carga un tabique de 15 cm de espesor y 2.55 m de alto. Considerando un peso unitario de 1.8 kg/m2 para la albañilería obtenemos la fuerza cortante última: - 12 - Y aplicando la expresión anterior para una losa de 20 cm de espesor (peralte efectivo = 17 cm) hallamos el ancho necesario: √ Por lo tanto se elige una viga chata de 20x20cm. 3.4 Predimensionamiento de columnas Dado que el edificio en estudio está estructurado predominantemente con placas, las columnas recibirán cargas de sismo muy reducidas y su diseño estará gobernado por la carga axial que actúe sobre ellas. Para esta condición las columnas se pueden dimensionar usando la siguiente expresión (Blanco, 1994): La expresión anterior tiene validez para columnas cargadas con más de 200 ton. Si una columna presenta menos carga axial se usará la siguiente expresión: Por otra parte, la Norma E.060 en su artículo 21.6.1.2 indica que las columnas rectangulares que formen parte del sistema sismorresistente del edificio tendrán como mínimo 25 cm en su dimensión menor. Cabe señalar que si el edificio fuera íntegramente aporticado se tendrían que tomar en cuenta dimensiones mucho mayores para las columnas, las cuales serían estimadas y luego comprobadas en el análisis sísmico. Siguiendo estas pautas y a manera de ejemplo se procederá a dimensionar la columna C-02 del eje C. Se considerará una carga unitaria de 1 ton/m2 para efectos de predimensionamiento. Figura 3.4.1 Área de techo que carga la columna analizada.  Área de techo = 16.3 m2  Peso unitario del techo = 1 ton/m2  Número de pisos = 6  Carga total en servicio= 16.3x1x6 = 97.80 ton Área= 16.3m2 - 15 - CAPÍTULO 4 METRADO DE CARGAS Para diseñar un elemento estructural necesitamos conocer y estimar la magnitud de las cargas de gravedad y de sismo que obrarán sobre éste. La Norma E.020 del Reglamento Nacional de Edificaciones nos brinda las condiciones a tener en cuenta para analizar y calcular las cargas de gravedad. 4.1 Consideraciones generales La Norma E.020 en su sección 1.3 define dos tipos de carga de gravedad:  Carga muerta: Es el peso de los materiales, dispositivos de servicio, equipos, tabiques y otros elementos soportados por la edificación, incluyendo su peso propio, que se propone sean permanentes.  Carga viva: Es el peso de todos los ocupantes, materiales, equipos, muebles y otros elementos movibles soportados por la edificación. Por lo tanto, para calcular la carga muerta que actúa sobre un elemento necesitamos saber el peso propio del elemento y el peso de los elementos que soporta. En el Anexo 1 de la Norma E.020 se presenta una tabla con los pesos unitarios de diversos materiales y elementos. Para el propósito del presente trabajo utilizaremos los siguientes: Tabla 4.1.1 Pesos unitarios de materiales según la Norma E.020. Materiales Peso unitario (kg/m 3 ) Albañilería de unidades sólidas 1,800 Albañilería de unidades huecas 1,350 Concreto simple de grava 2,300 Concreto armado 2,400 Por otra parte, la Norma E.020 en su sección 3.2.1 especifica todos los valores de carga viva repartida en los pisos, las cuales dependen del uso de la edificación. En la siguiente tabla se muestran las cargas especificadas para el caso particular del edificio en estudio: Tabla 4.1.2 Cargas vivas mínimas repartidas para edificios de vivienda según la Norma E.020. Ocupación o uso Carga viva repartida (kg/m 2 ) Corredores y escaleras en viviendas 200 Garajes para parqueo exclusivo de automóviles con altura menor de 2.40 m 250 Además, para la azotea se reducirá la carga viva repartida a 100 kg/cm2. Teniendo toda esta información se procede a analizar los casos particulares para cada tipo de elemento estructural. - 16 - 4.2 Metrado de cargas en losas aligeradas El metrado de losas aligeradas se realiza por vigueta. Para analizar la carga muerta que actúa sobre cada vigueta se considera el peso propio de ésta sumada al peso del piso terminado, que normalmente se toma como 100 kg/m2. Para la carga viva se considera un metro lineal de vigueta y se analiza la carga que actúa en esta área, vale decir, se multiplica la carga viva repartida por la separación entre las viguetas. Si se tiene tabiquería en la dirección perpendicular al armado de la losa, se considera una carga puntual igual al producto del peso por metro lineal de la tabiquería y la separación de las viguetas. Si se tienen tabiques en la dirección del armado, éstos deben ser cargados por vigas chatas, por lo tanto no se toman en cuenta para el análisis de las losas aligeradas. A manera de ejemplo se desarrollará el metrado para una vigueta continua de los paños que se muestra a continuación. Figura 4.2.1 Vigueta a analizar para el metrado de cargas. Tenemos:  Peso unitario del aligerado (h=20cm) = 300 kg/m2  Peso unitario del aligerado (h=25cm) = 350 kg/m2  Peso del piso terminado = 100 kg/m2  Carga viva unitaria = 200 kg/m2  Separación entre viguetas = 0.40 m  Tabique 1 de e=10cm y h=2.55m, perpendicular a la losa  Tabique 2 de e=15cm y h=2.55m, perpendicular a la losa  Tabique 3 de e=15cm y h=2.50m, perpendicular a la losa y en el centro de la luz Entonces las cargas repartidas por metro lineal que actúan sobre las viguetas serán:  Para h=20cm: Carga muerta = 0.4 x (300 + 100) = 160 kg/m  Para h=25cm: Carga muerta = 0.4 x (350 + 100) = 180 kg/m  Para ambos peraltes: Carga viva = 0.4 x 200 = 80 kg/m Las cargas puntuales provenientes de los tabiques serán:  Tabique 1: P1 = 0.10 x 0. 4x 2.55 x 1,800 = 184 kg  Tabique 2: P2 = 0.15 x 0.4 x 2.55 x 1,800 = 275 kg  Tabique 3: P3 = 0.15 x 0.4 x 2.50 x 1,800 = 270 kg h=20cm h=20cm h=25cm h=20cm h=20cm - 17 - En la siguiente figura se muestra la distribución de todas las cargas calculadas en estado de servicio. Figura 4.2.2 Cargas actuantes en condición de servicio sobre la vigueta analizada. 4.3 Metrado de cargas en losas macizas Para el caso de losas macizas el análisis es más simple. Dado que el metrado de cargas se realiza por unidad de área, se usan las cargas repartidas del peso propio de la losa, de la tabiquería, del piso terminado y de la carga viva según la Norma E.020. A manera de ejemplo se desarrollará el metrado para la losa maciza del paño mostrado a continuación: Figura 4.3.1 Losa maciza a analizar para el metrado de cargas. Tenemos:  Área de la losa = 44.7 m2  Peso unitario del concreto armado = 2,400 kg/m3  Peso propio de la losa maciza (h=15cm) = 0.15 x 2,400 = 360 kg/m2  Peso del piso terminado = 100 kg/m2  Tabiques de e=15cm y h=2.60m repartidos sobre la losa (ΣL=9.4 m)  Carga viva unitaria = 200 kg/m2 Entonces las cargas por metro cuadrado que actúan sobre la losa serán:  Carga muerta = 360 + 100 + (0.15 x 2.6 x 9.4 x 1,800 / 44.7) = 608 kg/m2  Carga viva = 200 kg/m2 - 20 - CAPÍTULO 5 ANÁLISIS SÍSMICO Nuestro país está ubicado en una zona sísmica, por lo que es indispensable analizar el desempeño que tendrán las estructuras durante un evento sísmico. Se sabe que los desplazamientos laterales son los que dañan a las estructuras, es por eso que se trata de controlar dichos desplazamientos. Por lo tanto, es muy importante y obligatorio cumplir con los requerimientos de la Norma E.030. 5.1 Generalidades La Norma E.030 en su Artículo 3 describe la filosofía del diseño sismorresistente:  Evitar pérdidas de vidas  Asegurar la continuidad de los servicios básicos  Minimizar los daños a las propiedades Para lograr un diseño eficiente, acorde con la importancia de la edificación, la Norma E.030 señala los siguientes principios del diseño sismorresistente:  La estructura no debería colapsar, ni causar daños graves a las personas debido a movimientos sísmicos severos que puedan ocurrir en el sitio.  La estructura debería soportar movimientos sísmicos moderados, que puedan ocurrir en el sitio durante su vida de servicio, experimentando posibles daños dentro de los límites aceptables. 5.2 Análisis preliminar 5.2.1 Zonificación La Norma E.030 en su Artículo 5, basada en la observación de la actividad sísmica durante varios años, divide el territorio nacional en las siguientes zonas: Figura 5.2.1.1 Zonas sísmicas según la Norma E.030. Además, se asigna un factor de zona “Z” a cada zona sísmica del territorio nacional. Este factor se interpreta como la aceleración máxima del terreno con una probabilidad de 10% de ser excedida en 50 años. - 21 - Tabla 5.2.1.1 Valores del factor de zona según la Norma E.030. Zona Factor de zona “Z” 3 0.4 2 0.3 1 0.15 Para nuestro caso, el edificio se encuentra ubicado en Magdalena del Mar, ciudad de Lima, le corresponde una factor Z = 0.4. 5.2.2 Condiciones geotécnicas Para efectos del análisis sísmico, la Norma E.030 en su Artículo 6 clasifica a los suelos tomando en cuenta las propiedades mecánicas del suelo, el espesor del estrato, el periodo fundamental de vibración y la velocidad de propagación de las ondas de corte. A cada tipo de suelo le corresponde un factor de amplificación “S” y un valor para la plataforma del espectro de aceleraciones “Tp”. Tabla 5.2.2.1 Parámetros del suelo según la Norma E.030. Tipo Descripción Tp (s) S S1 Rocas o suelos muy rígidos 0.4 1.0 S2 Suelos intermedios 0.6 1.2 S3 Suelos flexibles o con estratos de gran espesor 0.9 1.4 S4 Condiciones excepcionales - - En el caso de tener un suelo con condiciones excepcionales, los valores de Tp y S serán establecidos por el especialista, pero no podrán ser menores que los especificados para el tipo S3. En nuestro caso, según el estudio de suelos del proyecto se tiene un suelo rígido formado principalmente por grava, característico de la zona de Magdalena, Miraflores y San Isidro. Entonces los factores para el análisis sísmico serán Tp = 0.4 y S = 1.0. 5.2.3 Factor de amplificación sísmica El factor de amplificación sísmica “C” indica la amplificación de la respuesta estructural respecto de la aceleración del suelo. La Norma E.030 en su Artículo 7 define este factor como: ( ) Donde T es el periodo de la estructura, el cual definiremos en el análisis modal. 5.2.4 Categoría de la edificación La Norma E.030 en su Artículo 10 define el coeficiente de uso e importancia “U” según la clasificación de la edificación. Las edificaciones se clasifican en esenciales, importantes, comunes y menores. Según las condiciones descritas en la Norma E.030, el edificio en estudio clasifica como una edificación común (categoría C), ya que está destinada a vivienda. El factor de uso e importancia correspondiente es U = 1.0. 5.2.5 Sistema estructural Según la Norma E.030, los sistemas estructurales se clasifican según los materiales usados y el sistema de estructuración sismorresistente predominante en cada dirección. Además, mientras el sistema estructural de un edificio cuenta con más ductilidad y sobre-resistencia, es factible reducir las fuerzas sísmicas de diseño para lograr un diseño más eficiente. La Norma - 22 - E.030 en su Artículo 12 define el coeficiente de reducción de fuerza sísmica “R” según el sistema estructural que presente el edificio, así: Tabla 5.2.5.1 Valores del coeficiente de reducción “R” según la Norma E.030. Material Sistema estructural R (para estructuras regulares) Acero Pórticos dúctiles con uniones resistentes a momentos 9.5 Arriostres excéntricos 6.5 Arriostres en cruz 6 Concreto armado Pórticos 8 Dual 7 De muros estructurales 6 Muros de ductilidad limitada 4 Albañilería Albañilería armada o confinada 3 Madera Madera (por esfuerzos admisibles) 7 Para nuestro caso, según la estructuración realizada en el Capítulo 2, observamos la predominancia de las placas (muros estructurales) en ambos sentidos. Por lo tanto el valor del factor de reducción correspondiente será R = 6, para ambas direcciones. Cabe resaltar que para considerar un sistema de muros estructurales, por lo menos el 80% de la fuerza cortante en la base deberá ser tomado por las placas, lo cual se deberá comprobar más adelante en el análisis dinámico. 5.2.6 Configuración estructural Nótese que los valores de “R” mostrados en la tabla anterior corresponden a estructuras regulares. Cuando una estructura presenta irregularidad, ya sea en planta o en altura, puede ver afectado su desempeño sísmico respecto a estructuras regulares del mismo sistema estructural, por lo que las fuerzas sísmicas se reducen menos con el fin de considerar dichos efectos. En su Artículo 11 la Norma E.030 indica las características de una estructura irregular, a continuación se muestra las irregularidades en planta que presenta el edificio. Figura 5.2.6.1 Irregularidad en planta del edificio. El edificio no presenta irregularidades en altura, pero al ser irregular en planta es necesario establecer un valor de “R” adecuado. La Norma E.030 indica que para estructuras irregulares se toma el 75% del factor de reducción “R” correspondiente al de una estructura regular. En nuestro caso el factor de reducción para el análisis será el 75% de 6, RAnálisis= 4.5, para ambas direcciones. - 25 - 5.4.1 Peso del edificio En el inciso 16.3 de la Norma E.030 se explica la forma de calcular el peso del edificio para efectos del análisis estático, la cual depende de la categoría del edificio. Como antes se mencionó, el edificio pertenece a la categoría C, para la cual la Norma E.030 indica tomar el 25% de la carga viva, además de las cargas permanentes. Tabla 5.4.1.1 Cálculo del peso del edificio para el análisis estático. Nivel Carga muerta (ton) Carga viva (ton) Carga muerta + 25% Carga viva (ton) Piso 1 626 92.7 649.2 Piso 2 626 92.7 649.2 Piso 3 626 92.7 649.2 Piso 4 626 92.7 649.2 Piso 5 626 92.7 649.2 Azotea 387 46.4 398.6 P = 3,645 ton 5.4.2 Fuerza cortante en la base Según el inciso 17.3 de la Norma E.030, la fuerza cortante en la base, correspondiente a cada dirección, se calcula mediante la siguiente expresión: Donde el valor mínimo para C/R debe ser: En nuestro caso, para cada dirección tenemos: Tabla 5.4.2.1 Cálculo de la fuerza cortante en la base para el análisis estático. Dirección X-X Dirección Y-Y Tp 0.4 0.4 T 0.252 0.447 Z 0.4 0.4 U 1 1 CCalculado (C=2.5xTp/T) 4.0 2.24 CDiseño (C ≤ 2.5) 2.5 2.24 S 1 1 R 4.5 4.5 ¿C/R > 0.125? 0.56 (Ok) 0.50 (Ok) ZUCS/R 0.222 0.199 P (ton) 3,645 3,645 V (ton) 810 725 - 26 - 5.5 Análisis dinámico El análisis dinámico es un procedimiento más completo para analizar sísmicamente una estructura. La Norma E.030 en su inciso 14.1, indica que cualquier estructura puede ser diseñada usando los resultados del análisis dinámico. Según la Norma E.030 existen dos formas de realizar el análisis dinámico: por medio de procedimientos de combinación espectral o por medio de un análisis tiempo-historia. La Norma E.030 también indica que para edificios convencionales puede usarse cualquiera de los dos, pero para edificios importantes necesariamente se realizará un análisis tiempo-historia. Como ya mencionamos antes, el edificio en estudio clasifica como una edificación común, por lo tanto realizamos un análisis de combinación espectral. Al modelo ya definido en el análisis modal se le asigna un caso de carga en cada dirección, definido por el espectro de diseño que estipula la Norma E.030. Además, al definir dichos casos de cargas, se asigna una excentricidad accidental debido a la incertidumbre en la localización de los centros de masa en cada nivel. La Norma E.030, en su inciso 18.2.e, indica un valor del 5% de la dimensión en la dirección perpendicular al análisis. 5.5.1 Aceleración espectral La Norma E.030 en su inciso 18.2.b indica que se utilizará un espectro inelástico de pseudo- aceleraciones definido por: Reemplazando los valores antes hallados, hallamos Sa en función de T: Pero: , por lo tanto: . Entonces, para el análisis dinámico asistido por computador se define el siguiente espectro. Tabla 5.5.1.1 Valores de T vs. Sa del espectro de diseño. T (s) Sa (m/s 2 ) 0.00 2.180 0.10 2.180 0.20 2.180 0.30 2.180 0.40 2.180 0.50 1.744 0.60 1.453 0.70 1.246 0.80 1.090 0.90 0.969 1.00 0.872 1.10 0.793 1.20 0.727 1.30 0.671 1.40 0.623 1.50 0.581 1.60 0.545 1.70 0.513 1.80 0.484 1.90 0.459 2.00 0.436 - 27 - Figura 5.5.1.1 Curva de los valores del espectro de diseño. 5.5.2 Estimación de la respuesta máxima La Norma E.030 indica el uso de la “combinación cuadrática completa” para el cálculo de la respuesta máxima esperada ( ), tanto para las fuerzas internas como para los parámetros globales de fuerzas y desplazamientos. En su inciso 18.2.c señala: La respuesta máxima elástica esperada ( ) correspondiente al efecto conjunto de los diferentes modos de vibración empleados ( ) podrá determinase usando la siguiente expresión. ∑| | √∑ Asimismo, la Norma E.030 aclara que se considerarán aquellos modos de vibración cuya suma de masas efectivas sea por lo menos el 90% de masa total de la estructura, pero deberá tomarse en cuenta por lo menos los tres primeros modos predominantes en la dirección del análisis. 5.5.3 Fuerza cortante mínima en la base Una vez realizado el análisis dinámico se obtuvieron las siguientes respuestas máximas de fuerzas cortantes. Tabla 5.5.3.1 Fuerzas cortantes basales resultantes del análisis dinámico. Nivel Sismo en X-X Sismo en Y-Y Vx (ton) Vy (ton) Vx (ton) Vy (ton) Azotea 135.82 1.29 1.57 123.51 Piso 5 307.61 3.20 3.74 274.88 Piso 4 428.60 4.82 5.35 387.12 Piso 3 515.10 6.09 6.43 468.74 Piso 2 574.08 6.93 7.04 521.49 Piso 1 603.27 7.27 7.27 544.24 La Norma E.030 en su inciso 18.2.c señala que la fuerza cortante en la base del edificio no podrá ser menor que el 80% del valor calculado en el análisis estático para estructurales regulares, ni menor que el 90% para estructuras irregulares. De no cumplir con esta condición será necesario escalar todas fuerzas obtenidas para obtener las fuerzas de diseño. En nuestro caso, para una estructura irregular se tiene: - 30 - Como vemos, se obtiene valores de muy lejanos a 0.1, por lo tanto según lo dispuesto en la Norma E.060 no es necesario tomar en cuenta los efectos de segundo orden en el análisis. En este tema se ahondará en el Capítulo 9 referente al diseño de columnas. 5.5.6 Estabilidad al volteo Según el artículo 21 de la Norma E.030, el factor de seguridad por volteo debe ser como mínimo 1.5. Esto quiere decir que el momento resistente producido por la fuerza normal en la base debe ser como mínimo 1.5 veces el momento actuante del sismo. Podemos hallar el factor de seguridad así: Donde es la excentricidad máxima que se puede presentar, normalmente es la distancia del centro de masa al extremo del edificio. Del análisis dinámico tenemos: Tabla 5.5.6.1 Comprobación de la estabilidad del edificio al volteo. Dirección X-X Dirección Y-Y Msismo (ton-m) 6,863 6,200 N (ton) 3,645 3,645 emáx(m) 25 10 F.S. 13.3 5.9 Se observa que los factores de seguridad hallados son mayores a 1.5, por lo tanto cumplen con los requerimientos de la Norma E.030. 5.5.7 Análisis considerando una conexión flexible El edificio presenta una considerable reducción en planta, la cual da lugar a la formación de una conexión flexible entre los dos bloques donde se encuentran los departamentos. Por lo tanto se debe verificar que el modelo asumido con un solo diafragma rígido se ajuste al comportamiento del edifico considerando dos diafragmas independientes unidos mediante una viga ancha. Se compararán los periodos fundamentales y los desplazamientos obtenidos para cada modelo, asimismo se verificará la conexión por fuerza cortante. A continuación se presenta un esquema del modelo considerando una conexión flexible al centro. Figura 5.5.7.1 Diafragmas asumidos para analizar la conexión flexible. A B - 31 - Realizando el análisis modal, se obtuvo los siguientes resultados para los periodos fundamentales y sus porcentajes de masa efectiva, en cada dirección. Tabla 5.5.7.1 Comparación entre los periodos fundamentales obtenidos para cada modelo. Modelo con dos diafragmas Modelo asumido con un diafragma Dirección Periodo T (s) Participación (%) Periodo T (s) Participación (%) Discrepancia entre periodos X-X 0.256 68.4 0.252 70.1 2% Y-Y 0.424 73.6 0.447 72.8 5% Se observa que la diferencia entre los periodos de cada modelo no es considerable, teniendo una diferencia máxima del 5%, por lo que se concluye que los parámetros de los modos de vibración asumidos para el análisis sísmico se ajustan al comportamiento con diafragmas independientes. Se obtuvo los siguientes resultados para las derivas de entrepiso. Tabla 5.5.7.2 Comparación de derivas inelásticas para la dirección X-X. Nivel Deriva inelástica en A (‰) Deriva inelástica en B (‰) Deriva inelástica con un diafragma (‰) Diferencia entre A y diafragma único Diferencia entre B y diafragma único Piso 1 0.591 0.597 0.581 2% 3% Piso 2 1.077 1.090 1.060 2% 3% Piso 3 1.326 1.347 1.313 1% 3% Piso 4 1.465 1.488 1.448 1% 3% Piso 5 1.478 1.499 1.458 1% 3% Azotea 1.387 1.411 1.370 1% 3% Tabla 5.5.7.3 Comparación de derivas inelásticas para la dirección Y-Y. Nivel Deriva inelástica en A (‰) Deriva inelástica en B (‰) Deriva inelástica con un diafragma (‰) Diferencia entre A y diafragma único Diferencia entre B y diafragma único Piso 1 1.468 1.441 1.438 2% 0% Piso 2 3.065 3.017 3.105 1% 3% Piso 3 3.632 3.578 3.794 4% 6% Piso 4 3.697 3.639 3.878 5% 6% Piso 5 3.416 3.363 3.581 5% 6% Azotea 3.007 2.963 3.129 4% 5% Se observa que en la dirección X-X, las diferencias entre las derivas de cada bloque y la deriva del diafragma en el modelo asumido son mínimas. En la dirección Y-Y, se observa que las diferencias crecen en alguna medida, debido a la menor rigidez presente en dicha dirección. Sin embargo, se tiene una diferencia máxima del orden de 6%, la cual no es considerable. A continuación se procederá a verificar la conexión por la acción de la fuerza cortante, ya que las losas no llevan estribos y el concreto deberá tomar todos los esfuerzos. En la siguiente figura se muestran las fuerzas cortantes de diseño , obtenidas del análisis para el 6° piso en - 32 - la dirección Y-Y, el cual es el caso más crítico. Estas fuerzas se encuentran amplificadas por 1.20 por cortante mínima en la base. Figura 5.5.7.2 Fuerza cortante actuando en la conexión flexible. Considerando la base de la conexión =15cm y estimando el peralte efectivo como el 80% del peralte total , calculamos la resistencia de diseño : √ √ ( ) Se observa que . En resumen, se concluye que el modelo asumido es coherente con el comportamiento de los diafragmas independientes unidos mediante una conexión flexible, tanto en los modos de vibración como en los desplazamientos obtenidos. Asimismo, se observa que el espesor de la losa satisface los requerimientos de la fuerza cortante que aparecería en la conexión flexible ante un evento sísmico contemplado en la Norma E.030. Vu=7,491 kg Vu=7,491 kg h=220 cm bw=15 cm - 35 - Asimismo, la Norma E.060 indica que para aligerados el espaciamiento de las barras no debe extenderse más de 5 veces el peralte de la losa, ni más de 40 cm. Cabe señalar que esta cuantía mínima se aplica al área bruta de la sección ( ). 6.5 Corte del refuerzo Para uniformizar el corte del refuerzo se seguirá los criterios especificados en el siguiente esquema: Figura 6.5.1 Corte del refuerzo en tramos exteriores e interiores de las viguetas. Estos puntos de corte están basados en las envolventes que se obtienen con el método de los coeficientes, propuesto por el ACI. El esquema mostrado es de carácter práctico y generalmente cumple con los requisitos teóricos, salvo casos en los que la envolvente real de momentos flectores presente una forma muy diferente a la mostrada, cuando se tengan cargas puntuales muy elevadas por ejemplo. De ser este el caso se deberá realizar un análisis más detallado de acuerdo a los diagramas reales. 6.6 Control de deflexiones La Norma E.060 en su artículo 9.6.2 muestra los valores del peralte mínimo para los cuales no será necesario calcular las deflexiones, dependiendo de las condiciones de apoyo. Tabla 6.6.1 Peraltes mínimos en aligerados y vigas a menos que se calculen las deflexiones. Condiciones de apoyo Simplemente apoyados Con un extremo continuo Ambos extremos continuos En voladizo mínimo Estos valores se pueden usar directamente en elementos de concreto de peso normal (alrededor de 2,300 kg/m3) y refuerzo con = 4,200 kg/cm2. En nuestro caso se cumplen estas dos condiciones. 6.7 Ejemplo de diseño A manera de ejemplo se diseñará la vigueta más larga del piso típico, la cual ya fue analizada en el Capítulo 4 de Metrado de Cargas y presenta cambio de peralte. Del metrado de cargas tenemos:  Para los tramos con 20 cm de peralte se tiene: CM = 160 kg/m y CV = 80 kg/m.  Para el tramo con 25 cm de peralte se tiene: CM = 180 kg/m y CV = 80 kg/m.  Las cargas puntuales de los tabiques son: P1=184kg, P2=275kg y P3=270kg. (ver figura 4.2.2) - 36 - Hallando las cargas últimas de diseño, tenemos:  Para los tramos con = 20 cm: = 1.4 x 160 + 1.7 x 80 = 360 kg/m  Para el tramo con = 25cm: = 1.4 x 180 + 1.7 x 80 = 388 kg/m  P1u = 1.4 x 184 = 258 kg  P2u = 1.4 x 275 = 385 kg  P3u = 1.4 x 270 = 378 kg Una vez calculadas las cargas de diseño, definimos el modelo estructural y obtenemos los diagramas de fuerza cortante y momento flector, ambos en estado último: Figura 6.7.1 Modelo estructural y diagramas de fuerzas internas de la vigueta en estudio. Diseño por flexión En el diagrama de momento flector podemos observar que existen 4 secciones críticas que necesitarán ser analizadas (A, B, C y D), y que además la vigueta tiene un cambio de peralte. Con los momentos últimos obtenidos en la cara de los apoyos procedemos a calcular el área de acero requerido por flexión. (A) (B) (D) (C) (D) (B) (A) - 37 - Tabla 6.7.1 Cálculo del refuerzo por flexión para la vigueta en estudio. = 20 cm = 25 cm As + (A) As - (B) As + (C) As - (D) bw (cm) 10 10 10 10 b (cm) 40 10 40 10 d (cm) 17 17 22 22 Mu (kg-m) 461 -1,320 1,361 -1,265 Ku=Mu/bd 2 3.99 45.67 7.03 26.14 0.11% 1.46% 0.19% 0.76% Ascalculado= bd (cm 2 ) 0.75 2.48 1.67 1.67 Asmín=0.24%bwd (cm 2 ) 0.37 0.37 0.48 0.48 Asmáx=1.59%bd (cm 2 ) 10.86 2.72 14.06 3.51 Refuerzo escogido 1 3/8” 2 1/2” 1 3/8”+ 1 1/2” 2 1/2” Ascolocado (cm 2 ) 0.71 2.58 2.00 2.58 Ascolocado/Ascalculado 95% 104% 120% 155% Ascolocado/Asmáx 7% 95% 14% 74% a < 5cm 0.42 (Ok) - 1.18 (Ok) - Diseño por corte Considerando que tenemos dos peraltes diferentes, analizamos la resistencia con la carga máxima correspondiente a cada peralte. Las fuerzas cortantes últimas se obtienen a una distancia “ ” medida desde la cara de los apoyos. Tabla 6.7.2 Verificación por corte de la vigueta en estudio. =20 =25 d (cm) 17 22 Vu (kg) 945 1355 Vc (kg) 1,221 1,580 Vc/Vu 1.29 (Ok) 1.17 (Ok) Observamos que se cumplen los requerimientos de resistencia al corte. Por lo tanto no se requerirá el uso de ensanches. Cálculo del refuerzo por temperatura. Para el refuerzo por temperatura consideraremos la losa superior del aligerado (h =5cm) y un metro de ancho de sección. Según la sección 6.4, =0.0025 para barras lisas. Por lo tanto el área de acero por temperatura será: Si consideramos barras de 1/4”, =0.32cm2, hallamos el espaciamiento: Por lo tanto se colocará barras lisas de 1/4”@25 cm como refuerzo por temperatura. - 40 - 7.3 Diseño por corte El diseño es similar que en los aligerados, ya que las losas macizas tampoco cuentan con refuerzo por corte. La diferencia está que para losas macizas, la Norma E.060 no especifica el incremento del 10% que se usa en los aligerados. Por lo tanto tenemos: √ Se deberá comprobar que la resistencia al corte de la sección sea mayor que la resistencia requerida , hallada a una distancia “ ” medida desde la cara de los apoyos. 7.4 Ejemplo de diseño A manera de ejemplo se desarrollará el diseño de la losa maciza que se encuentra en la zona central de los ascensores (ver figura 2.2.2), la cual sirvió de ejemplo también para el Capítulo 4 referente al metrado de cargas. Del metrado de cargas tenemos:  CM = 460 kg/m2  CV = 200 kg/m2 Hallando la carga última de diseño:  = 1.4 x 608 + 1.7 x 200 = 1,190 kg/m2 Realizamos el modelo estructural usando el método FEM de elementos finitos, a continuación se presenta una vista de éste. Figura 7.4.1 Vista del modelo estructural de la losa maciza. - 41 - Diseño por flexión Para los momentos paralelos a X-X tenemos el siguiente diagrama, el cual se usará para diseñar el refuerzo en la dirección del eje X. Figura 7.4.2 Diagrama de momentos de la losa maciza en la dirección X-X (ton-m/m). Para los momentos paralelos a Y-Y tenemos el siguiente diagrama, el cual se usará para diseñar el refuerzo en la dirección del eje Y. Figura 7.4.3 Diagrama de momentos de la losa maciza en la dirección Y-Y (ton-m/m). M + máx=1.70 M - máx= -1.50 M - máx= -1.20 M + máx=0.75 - 42 - Primero calculamos el ácero mínimo por contracción y temperatura: De los diagramas mostrados en la figuras 7.4.2 y 7.4.3 obtenemos los momentos máximos positivos y negativos para cada dirección. Se indican los puntos considerados para los cálculos. Nótese la gran concentración de esfuerzos en las esquinas interiores. Este fenómeno se controla con varillas inclinadas ubicadas en dichas esquinas, las cuales se tienen que detallar en los planos de estructuras (Ver plano E-09 del Anexo). Para el cálculo del refuerzo principal por flexión no se consideran dichos momentos concentrados, ya que serán tomados por el refuerzo especial inclinado. En su lugar se consideran los momentos en las zonas adyacentes, los cuales son menores y son a los que realmente estará sometido el refuerzo principal superior. Tabla 7.4.1 Cálculo del refuerzo por flexión para la losa maciza en estudio. Dirección X-X Dirección Y-Y As + As - As + As - b (cm) 100 100 100 100 h (cm) 15 15 15 15 d (cm) 12 12 12 12 Mu (ton-m) 1.70 -1.50 0.75 -1.20 Ku=Mu/bd 2 11.81 10.42 5.21 8.33 0.33% 0.29% 0.14% 0.23% Ascalculado= bd (cm 2 /m) 3.90 3.42 1.68 2.72 Asmín (cm 2 /m) 1.35 1.35 1.35 1.35 Asmáx=1.59%bd (cm 2 /m) 19.08 19.08 19.08 19.08 Refuerzo escogido 1 3/8” 1 3/8” 1 3/8” 1 3/8” Ab (cm 2 ) 0.71 0.71 0.71 0.71 scalculado=Ab/As (cm) 18.2 20.8 42.3 26.1 sescogido (cm) 20 20 20 20 Ascolocado (cm 2 /m) 3.60 3.60 3.60 3.60 Ascolocado/Ascalculado 92% 105% 214% 132% Ascolocado/Asmáx 19% 19% 19% 19% Se considera 2 mallas de 3/8@20cm, para la cara superior e inferior de la losa. - 45 - CAPÍTULO 8 DISEÑO DE VIGAS Las vigas cumplen dos papeles importantes dentro de la estructura: trasmiten las cargas de los techos a los elementos verticales y, de ser el caso, forman junto a éstos los pórticos que absorberán las cargas sísmicas y controlarán el desplazamiento lateral de la estructura. Por lo tanto, se deberá tener especial cuidado en el diseño de las vigas con responsabilidad sísmica, siguiendo las disposiciones de la Norma E.060 para el diseño sísmico. 8.1 Análisis estructural Las vigas serán modeladas como parte de pórticos, considerando la rigidez de los apoyos (columnas o placas). Las vigas sí pueden absorber cargas de sismo, por lo que se deberá considerar todas las combinaciones de carga propuestas en la Norma E.060. U = 1.4 CM + 1.7 CV U = 1.25 (CM + CV) ± CS U = 0.9 CM ± CS Las cargas de gravedad pueden asignarse a un modelo individual y resolver por métodos como el de Cross, de rigidez, del portal, entre otros; las cargas sísmicas requieren un análisis más complicado. El modelo estructural que se definió en el análisis sísmico nos brinda también los valores de las cargas por sismo para cada elemento, las cuales tenemos que amplificar por la cortante mínima en la base, según lo ya estudiado. Una vez obtenidas las solicitaciones sísmicas y de gravedad que recibirá el elemento, se resuelven todas y cada una de las combinaciones de carga mencionadas, con las cuales obtenemos una envolvente que considere los peores escenarios. Se analizan los valores máximos de las envolventes de fuerza cortante y momento flector. 8.2 Diseño por flexión Para el cálculo del refuerzo por flexión se procede de forma similar que en los Capítulos 6 y 7, hallando el parámetro y usando las tablas de diseño para obtener la cuantía: Los límites para el área de acero, según lo ya estudiado, son: √ Para = 210 kg/cm2 y = 4,200 kg/cm2, se obtiene: Adicionalmente el Capítulo 21 de la Norma E.060 presenta las disposiciones especiales para el diseño sísmico, con el fin de asegurar un comportamiento dúctil en la estructura. Sobre el refuerzo por flexión en vigas de edificios con sistema de muros estructurales, el artículo 21.4.4 indica lo siguiente: - 46 -  Deberá existir refuerzo continuo a todo lo largo de la viga, constituido por dos barras tanto en la cara superior como en la inferior, con un área de acero no menor que el .  No deberán hacerse empalmes traslapados dentro de una zona localizada a dos veces el peralte del elemento, medida desde la cara del nudo.  La resistencia a momento positivo en la cara del nudo no debe ser menor que un tercio de la resistencia a momento negativo provista en dicha cara. La resistencia a momento negativo y positivo en cualquier sección a lo largo de la longitud del elemento deben ser mayores de un cuarto de la máxima resistencia a momento proporcionada en la cara de cualquiera de los nudos. Estas disposiciones se resumen en el siguiente esquema: Figura 8.2.1 Disposiciones para el diseño sísmico por flexión según la Norma E.060 (Blanco 1994). 8.3 Diseño por corte Normalmente en las vigas se presentan fuerzas cortantes mayores a los que el concreto puede resistir, por lo tanto es necesario proporcionar al elemento refuerzo por corte mediante estribos de acero. La resistencia al corte de la sección vendrá dada por la suma de los aportes del concreto y el acero. El aporte del concreto se calcula de igual manera que para losas macizas. √ La Norma E.060 en su artículo 11.5.7.2 especifica la siguiente expresión para el cálculo del aporte del refuerzo por corte perpendicular al eje de la viga. Donde es el área de refuerzo por corte dentro del espaciamiento , proporcionada por la suma de las áreas de las ramas de los estribos ubicados en el alma. Si se usan estribos simples, se encuentran dos ramas dentro del espaciamiento, por consiguiente el área será igual a dos veces el área de la barra , usada en el estribo. En toda sección de la viga se deberá cumplir: ( ) - 47 - Donde es la fuerza cortante última de diseño, hallada a una distancia “ ” medida desde la cara de los apoyos. Si tenemos el valor de para una sección determinada y de que es constante para toda la viga, entonces podemos obtener el valor de la resistencia requerida en dicha sección, y por consiguiente, el espaciamiento requerido para asegurar dicha resistencia. El valor de requerido no podrá ser mayor a √ en ningún caso según el artículo 11.5.7.9 de la Norma E.060. Esto equivale decir que la fuerza cortante máxima que puede presentarse en una viga para cumplir con este requerimiento es: √ Esta disposición busca controlar las fisuras bajo condiciones de servicio y evitar fallas por compresión en el concreto. De no cumplir con esta disposición se requerirá aumentar la sección de la viga o aumentar la resistencia del concreto (Ottazzi, 2010). Por otro lado, si se necesitase reforzar la sección y se cumple con el requerimiento de , la Norma E.060 en sus artículos 11.5.5.1 y 11.5.5.3 limita la separación de los estribos a usarse con el fin de asegurar que las grietas formadas a 45° por la acción de las fuerzas cortantes sean tomadas por al menos un estribo.  ; si √  ; si √ En teoría, si no se requerirían estribos, pero si entonces se requiere un área de refuerzo mínimo especificado en el artículo 11.5.6.2. Se toma el menor de los siguientes espaciamientos:  √  Si sí corresponden estribos mínimos de montaje. Adicionalmente, al igual que para el refuerzo por flexión, la sección 21.4 de la Norma E.060 presenta las disposiciones especiales para el diseño sísmico por corte, para vigas correspondientes a edificios con sistema de muros estructurales.  La fuerza cortante de diseño de las vigas que resistan efectos sísmicos, no debe ser menor que el menor valor obtenido de: ­ La suma del cortante asociado con el desarrollo de los momentos nominales ( ) del elemento en cada extremo restringido de la luz libre y el cortante isostático calculado para las cargas de gravedad tributarias amplificadas. ­ El cortante máximo obtenido de las combinaciones de carga de diseño mencionadas en la sección 8.1 con un factor de amplificación para los valores del sismo igual a 2.5.  En ambos extremos del elemento deben disponerse estribos cerrados de confinamiento en longitudes iguales a dos veces el peralte del elemento medido desde la cara del elemento de apoyo hacia el centro de la luz. El primer estribo cerrado de confinamiento debe estar situado a no más de 10 cm de la cara del elemento de apoyo. El espaciamiento de los estribos cerrados de confinamiento no debe exceder del menor de: - 50 - Estas disposiciones se resumen en el siguiente esquema: Figura 8.6.1 Consideraciones para el corte del refuerzo según la Norma E.060 (Ottazzi, 2010). 8.7 Empalmes por traslape del refuerzo La Norma E.060 en sus artículos 12.15 y 12.16, brinda las consideraciones para realizar empalmes en barras a tracción y compresión. Es importante asegurar que en un empalme se logre un adecuado acoplamiento de las barras, de tal manera que éstas desarrollen adecuadamente su resistencia cuando sean solicitadas, y así no alterar la capacidad con la que fue diseñada la sección. De acuerdo al sobre-reforzamiento que exista en la sección y al porcentaje de que se empalme, la Norma E.060 especifica el uso de las siguientes clases de empalmes. Tabla 8.7.1 Clases de empalmes para barras en tracción según la Norma E.060. Porcentaje máximo de empalmado en la longitud requerida para dicho empalme 50% 100% Igual o mayor que 2 Clase A Clase B Menor que 2 Clase B Clase B Siendo la longitud mínima para cada clase de empalme:  Clase A:  Clase B:  Clase A y B: ; Donde: =longitud de desarrollo en tracción. - 51 - Es importante notar que en las zonas con menor esfuerzo se obtendrá un mayor valor para el cociente de sobre-reforzamiento, y por lo tanto, menor longitud de empalme. Se recomienda empalmar en estas zonas, para lo cual es útil analizar los diagramas de momento flector de la viga. Se diferenciarán dos casos, cuando la viga sólo reciba cargas de gravedad y cuando reciba además cargas de sismo. En una viga que sólo recibe cargas de gravedad, las barras superiores prácticamente no son solicitadas en la zona central de la luz, lo cual convierte esta zona en ideal para empalmar. Por otro lado, para las barras inferiores, los apoyos son una zona ideal al no presentarse momentos positivos. Sin embargo, cuando una viga recibe cargas de sismo, la envolvente de los momentos ocasionados por éste presenta una forma de “X”, aumentando considerablemente los momentos positivos y negativos en los apoyos, y manteniendo casi sin alterar los momentos de la zona central. Es así que el empalme en la zona central para las barras superiores sigue siendo válido; pero para las barras inferiores sería inconveniente seguir empalmando en los apoyos, ya que el momento positivo se incrementa considerablemente. Es por esto que para las barras inferiores se recomienda empalmar en una zona intermedia entre el apoyo y el centro de la luz (Blanco, 1994). Además, se deberá tener en cuenta lo señalado en la sección 8.2 referente a las disposiciones de la Norma E.060 para el diseño sísmico, donde se menciona que no deberán hacerse empalmes traslapados dentro de una zona localizada a dos veces el peralte del elemento, medida desde la cara del nudo. Entonces, analizando todo lo descrito, se deberá especificar con criterio la clase de los empalmes a usar y las zonas donde empalmar. El siguiente esquema resume lo explicado en los párrafos anteriores. Figura 8.7.2 Consideraciones para especificar las zonas de empalme del refuerzo (Blanco, 1994). - 52 - 8.8 Ejemplo de diseño A manera de ejemplo se realizará el diseño completo de la viga V-1, ubicada en el eje H del piso típico (ver plano E-07 del Anexo): Figura 8.8.1 Esquema de la viga a diseñar. Diseño por flexión Del análisis estructural obtenemos la siguiente envolvente de momentos flectores, con las cargas amplificadas según las combinaciones especificadas en 8.1: Figura 8.8.2 Envolvente de momentos flectores para la viga a diseñar (ton-m). Analizando con los valores máximos, correspondientes a las secciones A, B, C y D: Tabla 8.8.1 Cálculo del refuerzo por flexión para la viga del ejemplo. Sección A B C D b (cm) 25 25 25 25 h (cm) 60 60 60 60 d (cm) 54 54 54 54 Mu (ton-m) 5.96 -8.28 -16.77 7.13 Ku=Mu/bd 2 8.18 11.36 23.00 9.78 0.22% 0.31% 0.66% 0.27% Ascalculado= bd (cm 2 ) 3.00 4.21 8.91 3.61 Asmín=0.24%bd (cm 2 ) 3.24 3.24 3.24 3.24 Asmáx=1.59%bd (cm 2 ) 21.47 21.47 21.47 21.47 Refuerzo escogido 2 5/8” 3 5/8” 3 5/8”+ 1 3/4” 2 5/8” Ascolocado (cm 2 ) 4.00 6.00 8.84 4.00 Ascolocado/Ascalculado 133% 143% 99% 111% Ascolocado/Asmáx 19% 28% 41% 19% (C) -16.77 5.96 (A) (B) -8.28 7.13 (D) (C) -16.77 - 55 - Diseño por corte Del análisis estructural obtenemos la siguiente envolvente de fuerzas cortantes, con las cargas amplificadas según las combinaciones especificadas en 8.1. Los valores se encuentran reducidos a una distancia “ ” de la cara de los apoyos. Figura 8.8.6 Envolvente de fuerzas cortantes para la viga en estudio (ton). Pero según lo especificado en la Norma E.060, al ser la viga en estudio un elemento con responsabilidad sísmica, debemos calcular el por capacidad. En el primer tramo tenemos: Apoyo izquierdo: As+ = 4.00 cm2 = 8.76 ton-m As- = 4.00 cm2 = 8.76 ton-m Apoyo derecho: As+ = 4.00 cm2 = 8.76 ton-m As- = 6.00 cm2 = 12.90 ton-m En el segundo tramo tenemos: Apoyo izquierdo: As+ = 4.00 cm2 = 8.76 ton-m As- = 8.84 cm2 = 18.33 ton-m Apoyo derecho: As+ = 4.00 cm2 = 8.76 ton-m As- = 8.84 cm2 = 18.33 ton-m Una vez calculadas las capacidades en los apoyos, obtenemos las cortantes según lo indicado en la figura 8.3.1. Del metrado de cargas tenemos: CM = 2.9 ton/m y CV = 0.7 ton/m.  = 1.25 x (2.9 + 0.7) = 4.5 ton/m  Luces libres de los tramos: = 2.92 m y = 4.90 m  Cortantes isostáticas: = 4.5 x 2.92/2 = 6.6 ton y = 4.5 x 4.9/2 = 11.0 ton El siguiente gráfico muestra las fuerzas cortantes relacionadas con la capacidad en los apoyos, para cuando los momentos actúan en sentido antihorario y horario: 4.98 13.87 8.13 12.65 - 56 - Figura 8.8.7 Fuerzas cortantes relacionadas con la capacidad en los apoyos. Si a todos estos valores les sumamos la fuerza cortante isostática correspondiente, obtenemos las fuerzas cortantes mostradas en la siguiente figura. Además se muestran las envolventes de dichas fuerzas y las cortantes de diseño , reducidas a una distancia “ ” de la cara de los apoyos. Figura 8.8.8 Fuerzas cortantes y envolventes de diseño calculadas por capacidad. Observamos que para el primer tramo = 11.56 ton (se considera esta carga para todo el tramo por tener fuerzas similares en ambos lados) y para el segundo tramo = 14.1 ton. Si comparamos estos valores con los de la envolvente para las combinaciones normales (ver figura 8.8.6), notamos que las fuerzas de diseño se han incrementado de forma considerable. En la mayoría de vigas con responsabilidad sísmica gobierna la cortante obtenida por capacidad, ya que al tomar momentos de sismo requieren de una importante cantidad de refuerzo en los apoyos. - 57 - Sin embargo, como ya se explicó en la sección 8.3, la Norma E.060 también considera trabajar con las cortantes obtenidas con el sismo amplificado por 2.5, si es que éstas son menores a las halladas por capacidad. Se hace esto con el fin de no considerar un caso extremo e improbable. Tenemos la siguiente envolvente con el sismo amplificado: Figura 8.8.9 Envolvente de fuerzas cortantes con el sismo amplificado por 2.5. Se observa que las cortantes con el sismo amplificado son mayores en alguna medida a las cortantes por capacidad, por lo tanto se usarán estas últimas para el diseño (ver figura 8.8.8). Tenemos:  Para el primer tramo: = 11.56 ton (para ambos apoyos)  Para el segundo tramo: = 14.10 ton (para ambos apoyos) Hallando el aporte del concreto a la resistencia: √ = 10.37 ton; = 8.81ton. Notamos que en ambos tramos, por lo tanto se necesita refuerzo. Calculamos la cortante que deberá resistir el refuerzo y el espaciamiento necesario, usando estribos simples de 3/8” tenemos 2 ramas en cada espaciamiento, = 2 = 2x0.71 = 1.42 cm2. Usando las expresiones mencionadas en 8.3 tenemos:  Para el primer tramo: =11.56/0.85-10.37= 3.23 ton  =1.42x4,200x54/3,230=100 cm  Para el segundo tramo: =14.10/0.85-10.37= 6.22 ton  =1.42x4,200x54/6,220=52 cm Se observa que los espaciamientos requeridos son muy grandes, en parte se debe a que la sección no está muy sobre-reforzada, se requerirían estribos mínimos. Sin embargo, como el elemento tiene responsabilidad sísmica se deberá tener en cuenta las consideraciones de la Norma E.060 para el espaciamiento de los estribos, las cuales han sido descritas en la sección 8.3.  Zona de confinamiento mínima = 2 = 1.20 m  El primer estribo debe estar como máximo a 10 cm del apoyo. En esta zona de confinamiento, los estribos deben estar separados como máximo el menor de los siguientes valores:  /4 = 13.5 cm  10 (barra longitudinal) = 10x5/8x2.54 =15.9 cm  24 (estribo) =24x3/8x2.54 =22.9 cm 17.42 16.20 = 14 cm 8.44 11.6 - 60 - Si Si Donde: = Carga axial última de diseño = Momento último de diseño respecto al eje X = Momento último de diseño respecto a eje Y = Resistencia de diseño bajo la acción únicamente de momento en X (ey=0) = Resistencia de diseño bajo la acción únicamente de momento en Y (ex=0) = Resistencia de diseño bajo la acción únicamente de carga axial (ex=ey=0) = Resistencia de diseño respecto al eje X = Resistencia de diseño respecto al eje Y 9.4 Efectos de la esbeltez Al diseñar una columna se asumen excentricidades de diseño , las cuales en la realidad pueden alterarse debido a la curvatura, dependiendo de la esbeltez del elemento. Estos efectos que no son contemplados en el análisis elástico reciben el nombre de “efectos de segundo orden”. La Norma E.060 propone dos métodos para estimar estos efectos, dependiendo de si el entrepiso donde se encuentra ubicada la columna en estudio presenta o no desplazamiento lateral importante. Según la Norma E.060, una estructura se considera sin desplazamiento lateral si al hacer un análisis de segundo orden resulta que el incremento de los momentos en los extremos de las columnas no excede de 5%. Alternativamente se permite hacer uso del índice de estabilidad descrito en la sección 5.5.5 de este trabajo. 9.4.1 Estructuras sin desplazamiento lateral La Norma E.060 en su artículo 10.12.2 indica que se permite ignorar los efectos de la esbeltez en estructuras sin desplazamiento lateral si se satisface que: ( ) [ ( )] Donde: = Menor momento de diseño en uno de los extremos de la columna, positivo si el elemento está flexionado en curvatura simple y negativo si hay doble curvatura. = Mayor momento de diseño en uno de los extremos de la columna, siempre positivo. = Factor de longitud efectiva. La Norma E.060 indica que para estructuras sin desplazamiento lateral se puede asumir =1 conservadoramente. = Longitud sin arriostrar en la columna. = Radio de giro de la sección transversal. En caso no cumplirse con este requerimiento, la Norma E.060 en su artículo 10.12.3 indica que se deben amplificar los momentos de diseño mediante la siguiente expresión: - 61 - Donde: es el factor de amplificación de momento para pórticos arriostrados y se calcula mediante la siguiente expresión: donde ( ) y ( ) ó ( ) Además: =Factor que relaciona la forma del diagrama de momentos y el tipo de curvatura. Para elementos con curvatura simple se toma igual a uno. Para elementos con doble curvatura (la mayoría de casos) se calcula usando ( ) , pero como mínimo se debe tomar =0.4. =Fuerza axial última de diseño. =Carga crítica de pandeo (Fórmula de Euler). =Producto del módulo de elasticidad y la inercia de la sección considerando fisuramiento =Módulo de elasticidad del concreto. =Inercia de la sección bruta de concreto (en la dirección analizada). =Módulo de elasticidad del acero. =Inercia del acero de refuerzo (en la dirección analizada). =Para estructuras sin desplazamiento lateral es la relación entre el momento último debido a la carga muerta permanente y el momento último de diseño , siempre positivo. Adicionalmente se indica que si es menor que (1.5+0.03 ); para el cálculo de se deberán amplificar los momentos y considerando una excentricidad mínima de (1.5+0.03 ), o en su defecto tomar = 1. Nótese que es el peralte de la columna en la dirección analizada, en cm. 9.4.2 Estructuras con desplazamiento lateral La Norma E.060 en su artículo 10.12.2 indica que se permite ignorar los efectos de la esbeltez en estructuras con desplazamiento lateral si se satisface que: Donde deberá ser calculado considerando los desplazamiento laterales, y no debe ser menor que 1. En caso no cumplirse con este requerimiento, la Norma E.060 en su artículo 10.13.3 indica que se deben usar las siguientes expresiones: Donde: = Factor de amplificación de momento para pórticos arriostrados. Se calcula usando las mismas expresiones de la sección 9.4.1. = Factor de amplificación de momento para pórticos no arriostrados. Es un solo valor para columnas pertenecientes a un mismo pórtico. y = Cargas de sismo amplificadas. Pare el cálculo del factor se debe hacer un análisis de segundo orden; sin embargo la Norma E.060 presenta dos alternativas para esto. - 62 - Donde es el índice de estabilidad del entrepiso y se calcula según lo estudiando en la sección 5.5.5 de este trabajo. Si excede el límite de 1.5, se deberá hacer un análisis de segundo orden o usar la siguiente expresión: ∑ ∑ Donde las sumatorias se realizan por entrepiso y se calcula usando las mismas expresiones presentadas en la sección anterior. Nótese además que algunas variables cambian respecto del caso de edificios sin desplazamiento lateral. Por ejemplo, y . Un valor adecuado para puede ser cero, ya que para estructuras con desplazamiento lateral la carga sostenida no es la causante de la deformación lateral, sino que ésta es causada por el sismo que es eventual y de corta duración (Blanco, 1994). Para el valor de en pórticos con desplazamiento lateral existen nomogramas como los de Jackson y Moreland que permiten obtener gráficamente dicho valor. 9.5 Diseño por corte La Norma E.060 en su artículo 11.3.1.2 propone la siguiente expresión para estimar conservadoramente el aporte del concreto a la resistencia en elementos sometidos a compresión. √ ( ) Donde es la carga axial en kg y positiva por ser de compresión. Al igual que las vigas, las columnas llevan estribos que sirven como refuerzo por corte. La resistencia requerida para el acero y el espaciamiento necesario se calcula mediante: Se deberá cumplir para todas las combinaciones que , donde . Además, la Norma E.060 dispone consideraciones especiales para el diseño sísmico por corte en las columnas, con el fin de asegurar un comportamiento dúctil durante un evento sísmico. Para el cálculo de la fuerza cortante de diseño se deberá realizar un análisis por capacidad similar a lo especificado para las vigas en la sección 8.3 de este trabajo, como se muestra a continuación: Figura 9.5.1 Fuerza cortante de diseño en columnas según la Norma E.060. - 65 - 9.7 Ejemplo de diseño A manera de ejemplo se desarrollará el diseño completo de la columna C-04 del eje H (ver plano E-04 del Anexo). Dimensiones 25x70 cm. Del análisis estructural tenemos las siguientes cargas para el primer piso. Tabla 9.7.1 Cargas obtenidas del análisis estructural para la columna en estudio. Carga P (ton) MX-X (ton-m) MY-Y (ton-m) VX-X (ton) VY-Y (ton) CM 66.62 0.90 -0.14 0.66 0.18 CV 11.23 0.20 -0.03 0.14 0.04 Sismo en X-X 28.63 14.59 0.36 9.32 0.22 Sismo en Y-Y 20.27 3.84 1.97 2.75 1.12 Efectos de la esbeltez En el análisis sísmico, sección 5.5.5, se verificó que el edificio no presenta ningún entrepiso con desplazamiento lateral; por lo tanto se verificarán los efectos de la esbeltez de acuerdo a la sección 9.4.1. Tenemos que en la mayoría de columnas convencionales los momentos y son iguales, se podrán ignorar los efectos de la esbeltez si se verifica que: ( ) ( ) pero [ ( )] entonces Verificando en ambas direcciones, y considerando el radio de giro igual a 0.3 , como la altura de entrepiso 275 cm y =1; tenemos: Para la dirección X-X: = 1x275/(0.3x70) = 13.1 Para la dirección Y-Y: = 1x275/(0.3x25) = 36.7 Se verifica que en ambas direcciones el valor de es menor que 40, por lo tanto no se tomarán en cuenta los efectos de la esbeltez para esta columna. Diseño por flexocompresión uniaxial Evaluando las combinaciones de carga tenemos: Tabla 9.7.2 Combinaciones de carga Pu y Mu para la columna en estudio. Combinación Pu (ton) MuX-X (ton-m) MuY-Y (ton-m) 1.4CM+1.7CV 112.36 1.60 -0.24 1.25(CM+CV)+CSX 125.94 15.97 0.15 1.25(CM+CV)-CSX 68.68 -13.22 -0.57 0.9CM+CSX 88.59 15.40 0.24 0.9CM-CSX 31.33 -13.78 -0.48 1.25(CM+CV)+CSY 117.58 5.21 1.76 1.25(CM+CV)-CSY 77.04 -2.46 -2.17 0.9CM+CSY 80.23 4.65 1.85 0.9CM-CSY 39.69 -3.03 -2.09 Calculamos el refuerzo mínimo para una sección de 25x70 cm. Tenemos un área total de 1750cm2 y considerando una cuantía mínima de 1% obtenemos 17.5cm2. Se empezará la iteración con 10 barras de 5/8”, 20cm2 de refuerzo. Tenemos la siguiente sección: - 66 - Figura 9.7.1 Sección de la columna a diseñar. Elaborando el diagrama de interacción para ambas direcciones y ubicando los puntos (Mu,Pu), tenemos: Figura 9.7.2 Puntos (Mu,Pu) ubicados en los diagramas de interacción para cada dirección. Observamos que los puntos (Mu,Pu) se ubican por debajo de las curvas de resistencia, con un margen razonable considerando que se tiene una cuantía mínima en la sección. Flexión biaxial Para dar por terminado el diseño por flexocompresión, se verificará por flexión biaxial. Se usará la combinación “1.25(CM+CV)+CSX”, por ser la que mayor momento presenta. Tenemos: = 270 ton = 125.94 ton  125.94/270 = 0.47>0.1 Se usa la fórmula de Bresler MuX-X = 15.97 ton-m  = 205 ton MuY-Y = 0.15 ton-m  = 216 ton [ ] [ ] Observamos que se cumplen los requerimientos, ya que Pu = 125.94ton y Pumáx=172ton. El refuerzo final por flexocompresión es de 10 barras de 5/8”. X-X Y-Y C-04 (25X70) 10 5/8” (Mn,Pn) (ɸMn,ɸPn) (Mn,Pn) (ɸMn,ɸPn) MX-X - 67 - Diseño por corte Calculamos las fuerzas cortantes considerando las capacidades en los nudos de la columna. Tenemos los valores de para cada combinación, y de los diagramas de interacción (ver figura 9.7.2) se obtienen las capacidades MnX-X y MnY-Y. Tabla 9.7.3 Capacidades en los nudos relacionadas con Pu para cada combinación. Combinación Pu (ton) MnX-X (ton-m) MnY-Y (ton-m) 1.4CM+1.7CV 112.36 38 16.0 1.25(CM+CV)+CSX 125.94 39 16.3 1.25(CM+CV)-CSX 68.68 35 13.7 0.9CM+CSX 88.59 37 15.0 0.9CM-CSX 31.33 30 11.0 1.25(CM+CV)+CSY 117.58 39 16.0 1.25(CM+CV)-CSY 77.04 36 14.4 0.9CM+CSY 80.23 36 14.4 0.9CM-CSY 39.69 32 11.6 Tenemos un Mn máximo de 39 ton-m para la combinación “1.25(CM+CV)+CSX”, por lo tanto la fuerza cortante última de diseño sería: Vu=(39+39)/2.75=28.36ton. Adicionalmente verificaremos con las cargas sísmicas amplificadas por 2.5. Tabla 9.7.4 Combinaciones de Vu evaluadas con el sismo sin amplificar y amplificado por 2.5. Sismo x 1 Sismo x 2.5 Combinación VuX-X (ton) VuY-Y (ton) VuX-X (ton) VuY-Y (ton) 1.4CM+1.7CV 1.16 0.32 1.16 0.32 1.25(CM+CV)+CSX 10.32 0.50 24.30 0.83 1.25(CM+CV)-CSX -8.32 0.06 -22.30 -0.28 0.9CM+CSX 9.91 0.38 23.89 0.71 0.9CM-CSX -8.73 -0.06 -22.71 -0.39 1.25(CM+CV)+CSY 3.75 1.40 7.88 3.08 1.25(CM+CV)-CSY -1.75 -0.85 -5.88 -2.53 0.9CM+CSY 3.34 1.28 7.47 2.96 0.9CM-CSY -2.16 -0.96 -6.28 -2.64 Nótese que el valor de =28.36ton obtenido por capacidad es significativamente mayor que 10.32ton, obtenido con las combinaciones de carga convencionales. Sin embargo, con el sismo amplificado por 2.5 obtenemos =24.30ton, menor al obtenido por capacidad. Por lo tanto, según lo permitido por la Norma, se trabajará con este último valor. Calculando el aporte del concreto. √ ( ) √ ( ) Observamos que . Considerando estribos dobles de 3/8” tenemos 4 ramas en cada espaciamiento, = 4 = 4x0.71 = 2.84 cm2. Calculando la resistencia y el espaciamiento requeridos para el refuerzo, tenemos: - 70 - 19.4 Diseño por corte La Norma E.060 en su artículos 11.10.3 a 11.10.10, indica las consideraciones para el diseño del refuerzo por corte en placas. El aporte del concreto se puede calcular mediante las siguientes expresiones, considerando la magnitud de la carga axial. √ si si Donde es el espesor del muro y el peralte efectivo, el cual deberá ser calculado mediante un análisis de compatibilidad de deformaciones, sin embargo la Norma E.060 permite el uso de =0.8 . Además la Norma E.060 señala algunos límites para las resistencias calculadas. √ donde si y si Donde el valor de varía linealmente para valores intermedios de . Además se especifica un límite para el valor de = + , según la siguiente expresión. √ Si √ , se requerirá el refuerzo mínimo especificado en la sección 10.1. Si √ , se deberá calcular la cuantía del refuerzo horizontal según: Además, la cuantía de refuerzo vertical deberá ser calculada según: ( ) ( ) La Norma E.060 indica que no es necesario considerar la cuantía de refuerzo vertical mayor que la horizontal, salvo que la relación sea menor a 2, en cuyo caso es sí será necesario considerar que . Para los espaciamientos, tanto vertical como horizontal, se debe cumplir que: y Adicionalmente la Norma E.060 en su artículo 21.9.5.3, referente a las disposiciones para el diseño sísmico de muros estructurales, señala que la fuerza cortante de diseño debe ajustarse a la capacidad en flexión instalada en el muro: ( ) ( ) Y esta fuerza cortante deberá ser considerada para el diseño en una altura medida desde la base no menor de y ( ), previendo la formación de rótulas plásticas. - 71 - 10.5 Empalmes por traslape del refuerzo Los núcleos confinados se pueden considerar individualmente como columnas, por consiguiente los empalmes se pueden especificar de acuerdo con lo dispuesto en la sección 9.6. 10.6 Ejemplo de diseño A manera de ejemplo se desarrollará el diseño de la placa PL-03 del eje 12 (ver plano E-04 del Anexo). Esta placa nace desde el sótano, donde existe una gran densidad de muros, por lo que las cargas disminuyen notablemente para la sección ubicada en la base del sótano. Entonces, la sección crítica se ubicará en la base del primer piso, para el cual tenemos las siguientes cargas provenientes del análisis estructural. Tabla 10.6.1 Cargas obtenidas del análisis estructural para la placa en estudio. Carga P (ton) MX-X (ton-m) MY-Y (ton-m) VX-X (ton) VY-Y (ton) CM 155.43 -0.03 -16.43 -0.01 -6.99 CV 24.39 -0.01 -2.99 0.00 -1.05 Sismo en X-X 11.99 1.72 28.63 0.49 7.74 Sismo en Y-Y 44.42 0.14 393.97 0.05 56.81 Tenemos para la placa: =16.5m y =3.35m y =25cm. La relación H/L = 16.5/3.35 = 4.9 es mayor a 1, por consiguiente se considera un muro esbelto y se diseñará por flexocompresión. Diseño por flexocompresión Obtenemos las combinaciones de carga Pu y Mu según lo especificado por la Norma E.060. Tabla 10.6.2 Combinaciones de carga Pu y Mu para la columna en estudio. Combinación Pu (ton) Mux-x (ton-m) Muy-y (ton-m) 1.4CM+1.7CV 259.07 -0.05 -28.08 1.25(CM+CV)+CSX 236.77 1.68 4.36 1.25(CM+CV)-CSX 212.79 -1.76 -52.91 0.9CM+CSX 151.88 1.69 13.85 0.9CM-CSX 127.90 -1.74 -43.42 1.25(CM+CV)+CSY 269.20 0.10 369.69 1.25(CM+CV)-CSY 180.36 -0.18 -418.24 0.9CM+CSY 184.31 0.11 379.18 0.9CM-CSY 95.47 -0.16 -408.76 Se procederá a realizar una estimación del acero para la primera iteración mediante la siguiente expresión, usando el mayor momento Muy-y=418.24 ton-m. ( ) ( ) En el armado preliminar se consideran núcleos confinados de 25x80cm en los extremos, y en cada núcleo 12 barras de 3/4”; además se tiene una viga perpendicular al plano de la placa, por lo que se considera un núcleo central adicional de 25x60cm, con 6 barras de 3/4”. - 72 - Adicionalmente en el resto de la sección se considera 2 barras de 1/2” separadas cada 25 cm. El armado descrito se muestra en la siguiente figura. Figura 10.6.1 Armado preliminar por flexión para la placa del ejemplo. Notamos que en cada extremo tenemos aproximadamente 34 cm2 de acero, cercanos a los 37 cm2 estimados con la ecuación aproximada. Elaborando los diagramas de interacción para cada dirección y ubicando los puntos (Mu, Pu), tenemos: Figura 10.6.2 Puntos (Mu,Pu) ubicados en los diagramas de interacción para cada dirección. Notamos que el refuerzo asumido cumple con los requerimientos para ambas direcciones con un margen aceptable. Diseño por corte Tenemos que Pu = 180.36 ton, Pu/Ag = 180,360/(335x25) = 21.5 kg/cm2, valor cercano al 10% , por lo tanto se desprecia el aporte del concreto a la resistencia. Para la combinación “1.25(CM+CV)-CSY” obtenemos = 66.86ton. La capacidad asociada a la carga Pu=180.36 ton es Mny-y =755 ton-m. Hallando la fuerza cortante de diseño tenemos: ( ) ( ) cumple El esfuerzo cortante deberá ser tomado íntegramente por el refuerzo horizontal, calculando la resistencia requerida para el acero tenemos: X-X Y-Y (Mn,Pn) (ɸMn,ɸPn) (Mn,Pn) (ɸMn,ɸPn) 12 de ɸ 3/4” 12 de ɸ 3/4” 6 de ɸ 3/4” ɸ 1/2”@25 ɸ 1/2”@25 MY-Y - 75 - 11.1.2 Dimensionamiento por presión admisible Para el dimensionamiento preliminar se deberá cumplir que la carga actuante en servicio dividida entre el área de la zapata sea menor que la presión admisible del suelo. La Norma E.060, en su artículo 15.2.4, permite un incremento del 30% en la presión admisible del suelo cuando se incluyen los efectos de sismo. ( )( ) ( )( ) Donde el porcentaje del peso propio de la zapata , se considera dependiendo de la capacidad portante del suelo, según:  = 15 a 8%, para: 0.5 < < 2 kg/cm2  = 8 a 4%, para: 2 < < 4 kg/cm2 Una vez obtenida el área requerida se determinan las dimensiones de la zapata considerando volados en ambos sentidos, y . Siempre que sea posible, es conveniente considerar estas longitudes iguales, tratando de diseñar una zapata simétrica. Por consiguiente, las dimensiones de la zapata en cada dirección son: Donde y son las dimensiones del elemento vertical en cada dirección (ver figura 11.1.1). Las dimensiones de la zapata aquí obtenidas son preliminares y deberá verificarse que el esfuerzo máximo, producido por la acción conjunta de la carga axial y los momentos, sea menor a la presión admisible del suelo. Se asume la siguiente distribución de esfuerzos: Figura 11.1.2.1 Distribución de esfuerzos asumida para los cálculos (Arango, 2005). El esfuerzo máximo se presentará en las esquinas de la zapata y se calcula mediante la siguiente expresión. X X Y Y Si el esfuerzo máximo obtenido excede de la presión admisible , se deberá aumentar las dimensiones de la zapata o considerar el uso de zapatas conectadas. Para que la distribución asumida en la figura 11.1.2.1 sea válida, los esfuerzos mínimos obtenidos no deben ser negativos, ya que el suelo por su naturaleza no puede resistir - 76 - tracciones. De no cumplirse con esta condición se deberá redistribuir los esfuerzos en la dirección correspondiente, mediante la distribución triangular propuesta por G.G. Meyerhof. Figura 11.1.2.2 Método de Meyerhof para la redistribución de esfuerzos (Arango, 2005). Donde se calcula mediante las siguientes expresiones: Para momentos en X X ( X X ) Para momentos en Y Y ( Y Y ) Al igual que para el caso anterior, deberá verificarse que no se exceda la presión admisible del suelo. Es importante señalar que la excentricidad de ninguna manera debe ser mayor que la tercera parte de la dimensión en la dirección de análisis, ya que se estaría bordeando los límites dispuestos para la estabilidad al volteo. De no cumplir con estos límites se debe considerar el uso de zapatas conectadas o combinadas. X X Y Y 11.1.3 Reacción amplificada del suelo Para obtener la reacción amplificada del suelo en condiciones últimas , se considera el esfuerzo máximo obtenido en el dimensionamiento, amplificado por 1.6 para efectos de cargas de gravedad y por 1.25 para efectos de cargas sísmicas. El valor de 1.6 se puede disminuir si se hace un cálculo más detallado. Por simplificación y conservadoramente, este esfuerzo amplificado se distribuye de forma uniforme en la base de la zapata, según lo mostrado en la siguiente figura. Figura 11.1.3.1 Distribuciones reales y asumidas para la reacción del suelo (Harmsen, 2002). - 77 - 11.1.4 Verificación del corte por punzonamiento Se debe verificar que el peralte asumido , sea suficiente para que el concreto pueda soportar las fuerzas cortantes debidas al efecto de punzonamiento, ya que las zapatas no llevan refuerzo por corte. Normalmente este efecto gobierna el diseño del peralte y es más crítico mientras mayores sean las dimensiones de la zapata. La sección crítica es la encerrada por el perímetro ubicado a una distancia “ ” de la cara de los apoyos, tal como se muestra en la siguiente figura. Figura 11.1.4.1 Sección crítica para la verificación del corte por punzonamiento (Harmsen, 2002). La resistencia requerida por punzonamiento se calcula mediante la siguiente expresión. ( ) Donde: = Área encerrada por la sección crítica y se calcula mediante: ( )( ) La resistencia de diseño , será el menor de los siguientes valores: ( )√ ( )√ √ Donde: = Perímetro de la sección crítica y se calcula mediante: ( ) = Peralte efectivo de la zapata, se considera un recubrimiento de 10cm. = Parámetro que relaciona la resistencia con el número de lados resistentes. Se toma 40 para columnas interiores, 30 para laterales y 20 para esquineras. = Cociente de la dimensión mayor de la columna entre la dimensión menor. Deberá cumplirse que , de lo contrario será necesario aumentar el peralte de la zapata. 11.1.5 Verificación del corte por flexión Según lo explicado en 11.1.1, asumiendo que los volados están empotrados en la cara del elemento, la sección crítica para la verificación por corte está ubicada a una distancia “ ” de la cara. Figura 11.1.5.1 Sección crítica para la verificación del corte por flexión. - 80 - Caso 3: Cargas de gravedad + sismo en Y-Y:  R = 134.11+6.54 = 140.65 ton  X-X = 3.20+3.42 = 6.62 ton-m  Y-Y = 1.54 ton-m cumple cumple Observamos que para todos los casos se cumple con los límites de presión admisible y de presión mínima, por lo tanto las dimensiones y son suficientes. La reacción amplificada del suelo será el esfuerzo máximo que se obtiene para el caso 2, amplificado por 1.25. Verificación del corte por punzonamiento El peralte efectivo de la zapata es =50 cm. Calculando la resistencia requerida , tenemos: ( )( ) ( )( ) ( ) ( ) Calculando la resistencia de diseño , tenemos: ( ) ( ) ( )√ ( )√ ( )√ ( )√ √ √ Considerando el menor valor obtenido, = 224 ton, observamos que > . Verificación del corte por flexión Calculando la resistencia requerida y la resistencia suministrada para dirección, tenemos: Para la dirección X-X: ( ) ( ) √ √ cumple Para la dirección Y-Y: ( ) ( ) √ √ cumple - 81 - Diseño por flexión Calculando las resistencias requeridas por flexión , tenemos:  Para la dirección X-X: ⁄ ⁄  Para la dirección Y-Y: ⁄ ⁄ Calculando el refuerzo por flexión, tenemos: Tabla 11.1.7.2 Cálculo del refuerzo por flexión para la zapata del ejemplo. Dirección X-X Dirección Y-Y b (cm) 165 250 h (cm) 60 60 d (cm) 50 50 Mu (ton-m) 25.82 39.13 Ku=Mu/bd 2 6.26 6.26 0.17% 0.17% Ascalculado= bd (cm 2 ) 14.03 21.25 Asmín=0.0018bh (cm 2 ) 17.82 27.00 Se observa que el refuerzo mínimo controla el diseño. Considerando barras de 5/8” y para un metro de ancho, tenemos: Se coloca una malla inferior de 5/8”@20cm. El diseño final de la zapata se muestra en la siguiente figura. Figura 11.1.7.1 Esquema del diseño final para la zapata aislada del ejemplo. 11.2 Diseño de zapatas combinadas Las zapatas combinadas son aquellas que soportan dos o más elementos verticales. Generalmente se usan cuando las áreas de dos zapatas se sobreponen, o cuando existen excentricidades grandes en un elemento vertical que se encuentra en el límite de propiedad. Se cumplen las mismas hipótesis y procedimientos que para zapatas aisladas, con algunas acotaciones adicionales: - 82 -  Se asume que la zapata combinada es un sólido rígido.  Se deberá trasladar todas las cargas puntuales y momentos actuantes hacia el centro de gravedad de la zapata. Se deberá tener en cuenta los momentos de traslación que se generarán al trasladar las cargas puntuales.  Si la forma lo permite, para los cálculos y verificaciones se podrá analizar por franjas, modelando los elementos verticales como apoyos simples. Si la zapata presenta una forma compleja e irregular, es conveniente realizar un modelo de elementos finitos, similar a una losa.  En la mayoría de zapatas combinadas se requiere de refuerzo superior por flexión, debido a la separación de los apoyos. La cuantía mínima en lugares donde se requiera refuerzo superior es de 0.0012, según el artículo 10.5.4 de la Norma E.060. 11.2.1 Ejemplo de diseño A manera de ejemplo se procederá a diseñar la zapata que soporta a las columnas C-05, C-09 y la placa PL-07 (Ver plano E-01 del Anexo) Del análisis estructural obtenemos las siguientes cargas, todas en condiciones de servicio: Tabla 11.2.1.1 Cargas obtenidas del análisis estructural para la zapata combinada a diseñar. C-05 C-09 PL-07 Carga P (ton) MX-X (ton-m) MY-Y (ton-m) P (ton) MX-X (ton-m) MY-Y (ton-m) P (ton) MX-X (ton-m) MY-Y (ton-m) CM 100.68 14.23 -0.02 164.91 14.09 0.11 49.08 0.56 0.08 CV 16.68 1.99 0.00 28.38 2.08 0.11 8.54 0.07 0.02 Sismo en X-X 7.08 14.31 0.09 20.03 5.79 4.45 4.93 0.31 0.03 Sismo en Y-Y 9.52 1.50 0.55 5.27 1.22 25.54 5.50 0.10 0.06 Se considera las siguientes dimensiones preliminares, h=80cm. Figura 11.2.1.1 Dimensiones preliminares y coordenadas para la zapata combinada a diseñar. Tenemos:  Área de la zapata: 22 m2  Área en planta de los elementos: 1.48 m2  Inercia en X-X: 3.83x5.8/12 = 26.52 m4  Inercia en Y-Y: 3.8x5.83/12 = 61.79 m4  Peso propio de la zapata= 22x0.8x2.4 = 42.24 ton  Peso del relleno sobre la zapata= (22-1.48)x0.6x1.9 = 23.4 ton  Total peso propio + relleno = 42.24+23.4 = 65.64 ton 3.80m 5.80m C-05 C-09 P L- 0 7 X Y MX-X CG - 85 - Calculando la resistencia para un metro de ancho tenemos: √ √ . Tenemos que > , para ambas direcciones. Diseño por flexión Del mismo modelo usado para verificar el corte por flexión, se obtiene los siguientes resultados para los momentos flectores. Los momentos negativos máximos se obtienen en la cara de los apoyos. Figura 11.2.1.3 Diagramas de momento en ambas direcciones para la zapata combinada (ton-m/m). Según la Norma E.060, el refuerzo mínimo en zapatas es:  superior = 0.0012 = 0.0012x100x80 = 9.60 cm2/ml  inferior = 0.0018 = 0.0018x100x80 = 14.40 cm2/ml Calculando el refuerzo requerido por flexión tenemos: Tabla 11.2.1.6 Cálculo del refuerzo requerido por flexión para la zapata combinada en estudio. Dirección X-X Dirección Y-Y As + (sup.) As - (inf.) As + (sup.) As - (inf.) b (cm) 100 100 100 100 h (cm) 80 80 80 80 d (cm) 70 70 70 70 Mu (ton-m) 7 -55 30 -65 Ku=Mu/bd 2 1.43 11.22 6.12 13.27 0.04% 0.31% 0.17% 0.37% Ascalculado= bd (cm 2 /m) 2.80 21.70 11.90 25.90 Asmín (cm 2 /m) 9.60 14.40 9.60 14.40 Refuerzo escogido 1 5/8” 1 1” 1 3/4” 1 1” Ab (cm 2 ) 2.0 5.1 2.0 5.1 scalculado=Ab/As (cm) 20.83 23.50 23.87 19.69 sescogido (cm) 20 20 20 20 M + máx=7 M - máx= -55 M + máx=30 M - máx= -65 - 86 - El diseño final de la zapata se muestra a continuación. Figura 11.2.1.4 Distribución final del refuerzo para la zapata combinada del ejemplo. - 87 - CAPÍTULO 12 DISEÑO DE ELEMENTOS ADICIONALES Este capítulo comprende el diseño de elementos estructurales que no han sido estudiados en los capítulos anteriores, pero son igualmente importantes. Los elementos comprendidos son: las escaleras, los muros de sótano, la cisterna y las calzaduras. 12.1 Diseño de escaleras Existen diferentes tipos de escaleras, dependiendo de sus condiciones de apoyo. Para el caso del edificio en estudio se tiene escaleras convencionales de varios tramos, apoyadas en vigas o losas. Estas escaleras se modelan como losas macizas armadas en una dirección, simplemente apoyadas, y se sigue los mismos procedimientos de diseño estudiados en el Capítulo 7, referente a losas macizas. A manera de ejemplo se diseñará el primer tramo de la escalera Nro. 1, que conecta el sótano con el primer piso (ver plano A-01 del Anexo). Tenemos las siguientes características para la escalera:  Paso ( ) = 25 cm  Contrapaso ( ) = 17 cm  Garganta ( ) = 15 cm  Sobrecarga = 200 kg/m2 Metrado de cargas Para calcular el peso propio de la escalera en el tramo inclinado (dentado), usamos la siguiente expresión. [ √ ( ) ] [ √ ( ) ] Considerando un metro de ancho y 100 kg/m2 para la carga del piso terminado, tenemos: En el descanso: CM = 0.15 x 1 x 2,400 + 1 x 100 = 460 kg/m CV = 200 kg/m = 1.4 x 460 + 1.7 x 200 = 984 kg/m En el tramo inclinado: CM = 1 x 639 + 1 x 100 = 739 kg/m CV = 200 kg/m = 1.4 x 739 + 1.7 x 200 = 1,375 kg/m Definimos el siguiente modelo estructural y obtenemos las cargas de diseño. Figura 12.1.1 Modelo estructural y cargas últimas de diseño obtenidas para la escalera del ejemplo. 461 916 1,208 854 319 108 305 DMF (Kg-m) DFC (Kg) 984kg/m 1,375kg/m