Resumen En el presente trabajo se desarrolló el análisis y diseño estructural de un edificio de aulas universitarias ubicado en Lima, sobre un suelo de 40ton/m2 de capacidad portante. El edificio tiene cinco pisos y un sótano, con un área construida de 4160m2. Los techos son losas aligeradas que descansan en vigas, las que a su vez se apoyan en columnas y placas. El sistema sismorresistente es dual en una dirección y de placas en la otra. La cimentación consiste de zapatas aisladas para las columnas y de zapatas combinadas en el caso de placas. Para el desarrollo del trabajo se utilizaron las normas peruanas de Cargas, Diseño Sismorresistente, Suelos y Concreto Armado, junto al código americano de diseño en concreto armado (ACI-318-05) para el diseño de diafragmas. La estructuración y predimensionamiento estructural se hizo usando los criterios recibidos en los cursos de concreto armado. Para el análisis por carga de gravedad se usó un programa de computación que permiten simular el proceso constructivo. Los resultados que se obtuvieron con este programa no fueron adecuados, y se tuvo que desarrollar dos modelos adicionales. En el primer modelo se incrementaron las áreas de las columnas más deformadas y en el segundo modelo se restringieron los desplazamientos verticales en los nudos. Ambos modelos dieron resultados similares que se utilizaron en el diseño. Los resultados del análisis sísmico indican que se trata de un edificio rígido, cuya deriva máxima es de 0.005, valor claramente menor al máximo permitido por la norma peruana. El diseño se realizó por métodos de la resistencia última. El diseño de las vigas fue gobernado por solicitaciones de carga, excepto las vigas de poca longitud entre muros donde el diseño se rigió por criterios de capacidad. Las placas se diseñaron usando criterios de capacidad, haciendo que el cortante de diseño sea mayor o igual al del análisis, escalado por el cociente capacidad/demanda de momentos, este cociente tuvo un valor alrededor de 1.3. Para el diseño de diafragmas se usó el código ACI-318-05 debido a que la norma peruana no da indicaciones al respecto. Utilizando las cargas horizontales del análisis estático y un modelo de EF se analizó el sistema de losas y vigas bajo fuerza horizontal. Como resultado de este estudio fue necesario incrementar el refuerzo en algunas zonas del diafragma pero no el de las vigas. Índice Introducción 1 Capítulo 1 Estructuración y Predimensionamiento 4 1.1 Estructuración 4 1.2 Predimensionamiento 5 Capítulo 2 Análisis Estructural por Cargas de Gravedad 8 2.1 Análisis Estructural de Losas Aligeradas 8 2.2 Análisis de Vigas, Columnas y Placas por Carga de Gravedad 9 2.3 Proceso Constructivo 13 Capítulo 3 Análisis Estructural por Cargas de Sismo 19 3.1 Modelo Estructural 19 3.2 Solicitaciones Sísmicas 20 3.3 Resultados del Análisis Sísmico 22 3.4 Determinación del Valor de R 23 3.5 Solicitaciones Sísmicas en Elementos Estructurales 27 Capítulo 4 Diseño Estructural en Concreto Armado 30 4.1 Metodología de Diseño 30 4.2 Diseño de Vigas y Losas 31 4.2.1 Diseño por Flexión 31 4.2.2 Diseño por Corte 34 4.2.3 Ejemplo de Diseño de una Losa Aligerada 37 4.2.4 Ejemplo de Diseño de Vigas 39 4.3 Diseño de Columnas y Placas 46 4.3.1 Diseño de Columnas por Flexocompresión 46 4.3.2 Diseño de DColumnas por Fuerza Cortante 47 4.3.3 Ejemplo de Diseño de Columnas 49 4.3.4 Diseño de Placas por Flexocompresión 52 4.3.5 Diseño de Placas por Fuerza Cortante 53 4.3.6 Ejemplo de Diseño de Muros 53 Capítulo 5 Diseño de Cimentaciones 56 5.1 Dimensionamiento de Zapatas 57 5.2 Diseño en Concreto Armado 58 Capítulo 6 Diseño de Diafragmas 62 6.1 Clasificación de los Diafragmas 62 6.2 Determinación del Tipo de Diafragma 63 6.3 Factores que afectan el Desempeño de los Diafragmas 63 6.4 Método del ACI para el Diseño de Diafragmas 66 6.5 Ejemplo de Diseño de Diafragmas 68 Conclusiones 77 Referencias 81 Introducción: La presente tesis desarrolla el diseño estructural de un edificio de concreto armado de cinco pisos y un sótano. El edificio se encuentra ubicado en el Campus de una Universidad, localizada en el distrito de Santiago de Surco, Provincia de Lima. El Proyecto Arquitectónico: El proyecto consiste en un edificio de cinco pisos y un sótano, con un área construida es de 4160m2 aproximadamente. En la Figura 1 se muestra la planta típica del edificio y un corte. VENTANA ALTA VENTANA ALTA COBERTUERSAT RDUEC PTOULRICAA MREBTOANLAICTOA COBERTUERSAT RDUEC PTOULRICAA MREBTOANLAICTOA CLOSET PARACTO. DECOMUNICAC.COMPUTADORASG INACBEINNEDTIEO SCONTRA VACIO VACIO BMAERTAANLIDCAA HSDSOU.MHCTHBO.RESDUCTO AULA CORREDOR AULA VVEESNTTIIBLUALDOO CORREDOR AULA CORREDOR AULA VENTANAS CORREDh=IZ1A.3S0 BMAERTAANLIDCAA MSSU.HJEHR.PERSOFHS.SO.HMHB.RPERSOF. Vh=E1N.3T0ANAS CORREDIZAS CLTIMOP DIEEZA CTO DEINS. ELECTRICASDUCTO ASCENSOR VACIO VACIO MSSU.HJEHR.ES AULA CORREDOR AULA VENTANA ALTA VENTANA ALTA ROMPESOLES AULA CORREDOR AULA Vh=E1N.3T0ANAS CORREDIZAS VENTANAS CORREDh=IZ1A.3S0 AULA CORREDOR AULA REJAS PATIO SIN TECHAR PATIO SIN TECHAR REJAS Vh=E0N.4T0ANAS ALTAS VENTANAS AhL=T0A.4S0 ALMACEN GENERAL OFICINA ALMACEN GENERAL (LUZ DESDE LA IZQUIERDA) Figura 1.- Planta Típica y Corte En el sótano se ubican una serie de depósitos y los servicios higiénicos del personal de servicio de la entidad educativa. Se accede a dicho sótano mediante la escalera principal o por la rampa exterior, cuya pendiente es 12% para facilitar traslado de equipos. Los pisos del primero al quinto están conformados por 8 aulas de estudio en cada piso, dispuestas alrededor de un corredor central. El área de las aulas es de 40m2, pudiendo así albergar a 40 alumnos. Dichas aulas se encuentran conectadas por un 1 gran espacio central. Cada piso posee baños para hombres y mujeres, incluyendo baño para discapacitados. La circulación vertical se encuentra solucionada por un ascensor, una escalera principal y dos escaleras secundarias ubicadas en el gran espacio central. La escalera principal cuenta con un vestíbulo previo ventilado, para evitar el ingreso de humos durante un incendio, de acuerdo a los requerimientos de Indeci. El proyecto arquitectónico fue desarrollado por el Arq. Franco Vella (Referencia 1). Consideraciones Generales para el Diseño Estructural: El material utilizado en el Diseño Estructural del edificio es Concreto Armado. Dicho edificio se ha estructurado de la siguiente manera: El sistema de techado esta compuesto por losas aligeradas de peralte h = 250mm, utilizando bloques de poliestireno expandido en lugar de ladrillos de arcilla. Los bloques proporcionan un menor peso al aligerado, además de cumplir satisfactoriamente con los requisitos acústicos y térmicos. Las vigas cuya función es la de soporte del sistema de techado están dimensionadas en su mayoría de 25x60 y 30x75, las cuales varían dependiendo de la luz y las solicitaciones a la cuales se encuentran sometidas. Estas a su vez descansan sobre las columnas y muros de concreto armado. El sistema estructural sismorresistente esta basado en placas de concreto armado con el fin de darle una mayor rigidez lateral al edificio. Dichos elementos son los encargados de limitar los desplazamientos horizontales producidos por la fuerza de sismo, minimizando el daño. La cimentación esta compuesta por zapatas aisladas y combinadas algunas de ellas unidas mediante vigas de cimentación. Para el cálculo de la cimentación se utilizó una capacidad portante del terreno igual a 4kg/cm2. La resistencia del concreto es f’c=210 kg/cm2 y la del acero es fy=4200kg/cm2 tal como se indica en los planos. 2 El diseño estructural del Edificio se realizó utilizando las siguientes normas: Reglamento Nacional de Edificaciones Reglamento de Edificaciones E-020 Cargas Reglamento de Edificaciones E-030 Diseño Sismorresistente Reglamento de Edificaciones E-050 Suelos y Cimentaciones Reglamento de Edificaciones E-060 Concreto Armado. Las cargas de los elementos estructurales serán las siguientes: Cargas Muertas Aligerado h=25 (Bloques de Poliestireno) : 250 kg/m2 (Referencia 2) Concreto Armado : 2400 kg/m3 Piso Terminado : 100 kg/m2 Cargas Vivas o Sobrecargas Sobrecarga en 1°-4º Piso (aulas) : 300 kg/m2 Sobrecarga en 1°-4º Piso (laboratorios) : 300 kg/m2 Sobrecarga en 1°-4º Piso (pasadizos) : 400 kg/m2 Sobrecarga en 5º Nivel (azotea) : 100 kg/m2 El análisis del edificio se realizó empleando programas de computación, mediante un modelo tridimensional que considera la distribución de masa y rigidez de la estructura. El diseño se realizó por el método de diseño por resistencia, considerando factores de amplificación de cargas y factores de reducción de resistencia. Se finalizará explicando las consideraciones del código ACI-318-05 para el diseño de diafragmas. 3 Capítulo1: Estructuración y Predimensionamiento 1.1 Estructuración El sistema de carga vertical consta de losas aligeradas con bloques de tecnopor, losas macizas, vigas, columnas y placas. Se eligió la solución de la losa aligerada con bloques de tecnopor debido al menor peso en comparación al aligerado con ladrillo de arcilla, para así disminuir la carga muerta de la edificación disminuyendo a su vez la fuerza sísmica de diseño. La carga muerta y viva de la edificación se transmite de las losas a las vigas para luego ser trasladada por éstas a las columnas, para luego ser transmitidas a la cimentación. El sótano se encuentra bordeado por muros de contención para sostener el empuje del terreno. El edificio se encuentra en una zona sísmica y debido a su categoría de edificación esencial, la estructuración debe conducir a un desempeño sismorresistente que reduzca de manera importante el daño durante un sismo severo. El sistema resistente a las cargas laterales consta de placas de concreto armado en ambas direcciones. Dichas placas toman gran porcentaje de las fuerzas laterales, dándole al edificio rigidez y resistencia. La ubicación de las placas es de manera simétrica, minimizando irregularidades en planta. En la figura 2 se muestra la estructuración en el piso típico de la edificación. Figura 2.- Estructuración 4 1.2 Predimensionamiento: Predimensionamiento de Losas Aligeradas: El predimensionamiento de losas aligeradas se realiza por control de deflexiones. La norma E-060 Concreto Armado (Referencia 3) indica que para Losas Aligeradas con s/c<300kg/m2 y luces menores a 7,5m se recomienda un peralte H de H>L/25. En el edificio de la presente tesis, la luz del aligerado es de 6.20m y la sobrecarga de 300kg/m2, por lo tanto de acuerdo a este criterio de estructuración el peralte del aligerado sería 0.248m. Se eligió una losa de 0.25m de peralte. Cabe destacar que al tratarse de un aligerado con ladrillo de tecnopor se disminuye la carga muerta, por lo cual las luces podrían ser mayores con cargo a verificar deflexiones. Predimensionamiento de Vigas: Para vigas que forman pórticos, el Ing. Antonio Blanco (Referencia 4) recomienda utilizar peraltes H de Luz/10 o Luz/12. A modo de ejemplo se realizará el predimensionamiento de las vigas V-3 y V-6. Viga V-3: Luz=8.41m H=8.41/10=0.84 Luz=8.41m H=8.41/12=0.70 Se eligió el peralte de 0.75m. Viga V-6: Luz=7.10m H=7.10/10=0.71 Luz=7.10m H=7.10/12=0.59 Se eligió el peralte de 0.60m En la figura 3 se muestra el predimensionamiento del aligerado H=250mm y el de la Viga V-6. 5