ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DISEÑO ESTRUCTURAL DE UN EDIFICIO TIPO PARA APARTAMENTOS UTILIZANDO LAS NORMAS NEC 2015 PROYECTO PREVIO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO PABLO ANDRÉS TIPÁN AGUIRRE ([email protected]) DIRECTOR: ING. CARLOS OSWALDO BALDEÓN VALENCIA ([email protected]) CO-DIRECTOR: ING. WILLIAM RICARDO VENEGAS TORO ([email protected]) Quito, Junio 2016 i DECLARACIÓN Yo, Pablo Andrés Tipán Aguirre, declaró bajo juramento que el trabajo aquí escrito es de mí autoría, que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mi derecho de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente. PABLO ANDRÉS TIPÁN AGUIRRE ii CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Pablo Andrés Tipán Aguirre, bajo mi supervisión. ING. MDI. ING. CARLOS BALDEÓN VALENCIA WILLIAM VENEGAS TORO DIRECTOR DEL PROYECTO CO-DIRECTOR DEL PROYECTO iii AGRADECIMIENTO A Dios, por darme la fortaleza de seguir adelante cada día y bendecirme con la familia que tengo. A mis Padres, por su esfuerzo, por su perseverancia, por darme siempre lo mejor y por sus consejos. A mis hermanos, por ser mi apoyo en todas las circunstancias de mis años de estudio. A mis Tíos, Lourdes, Moisés, y a mi primo German, por ser mis consejeros y por el apoyo que siempre le dieron a mi familia. A mis Abuelitos, Angélica y Pablo y a mi Tío Pato, por ser mi familia, por su bondad, por sus sabios consejos y su sabiduría. A la Facultad de Ingeniería Mecánica, por ser quien prepara a los futuros Ingenieros Mecánicos del país, en especial a mi Tutor, Ing. Carlos Baldeón, por ser artífice de este proyecto de titulación y por su colaboración en la misma. A mis amigos y amigas, con quienes durante el transcurso de mis años de estudio compartí alegrías y valiosas experiencias. Pablo Tipán iv DEDICATORIA A Dios, por ser mi guía a lo largo de mi vida y por ser quien bendice cada día a mi familia. A mi Padre Luis, por ser mi pilar fundamental, por ser mi ejemplo a seguir, por enseñarme que los sacrificios tienen su recompensa, por su lucha diaria para darme siempre lo mejor, estoy orgulloso de ser como soy y eso te lo debo a ti. A mi Madre Nelly, por ser mi luz, mi consejera, mi protectora, por ser mi guía en todos mis logros, por su sacrificio día a día, por tus palabras que guiaron mis pasos y por tu amor que ilumina mi vida. A mi Hermano Byron, por enseñarme que puedo ser mejor de lo que soy y dar todo de mí, por ser quien fortaleció mi vida profesional y por estar siempre a mi lado. A mis hermanos María José y Alexander, por ser mi apoyo incondicional y la prolongación de mis sueños. A mi Abuelita Angélica, por ser quien fortaleció mi fe en Dios, por sus cuidados y sus consejos. A mi Abuelito Pablo, por enseñarme que la vida, se vive cada día con las personas que amamos, siempre te voy a querer. A mi Tío Pato, por ser más que un tío, mi ayuda incondicional, por sus sabios consejos y su sabiduría. A mi Tía Lourdes, por ser como mi segunda abuelita, por su cariño, sus cuidados y por su infinita bondad. Pablo Tipán v CONTENIDO DECLARACIÓN .................................................................................................................. i CERTIFICACIÓN ............................................................................................................... ii AGRADECIMIENTO ......................................................................................................... iii DEDICATORIA ................................................................................................................. iv ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... ix ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................................... xi ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS ............................................................................................ xii RESUMEN ...................................................................................................................... xiii ABSTRACT .................................................................................................................... xiv PRESENTACIÓN ............................................................................................................ xv CAPITULO 1 ....................................................................................................................17 FUNDAMENTO TEÓRICO Y DEFINICIÓN DE PARÁMETROS ......................................17 1.1 ANTECEDENTES ..................................................................................................17 1.2 SISMICIDAD EN EL ECUADOR ............................................................................19 1.3 JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................19 1.4 OBJETIVOS ...........................................................................................................20 1.4.1 OBJETIVOS GENERALES ..............................................................................20 1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................20 1.5 ALCANCE ..............................................................................................................21 1.6 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................21 1.7 SISMO RESISTENCIA ...........................................................................................22 1.8 COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE LAS ESTRUCTURAS DE ACERO .................23 1.9 DAÑOS ESTRUCTURALES FRENTE A UN SISMO ..............................................23 1.10 PÓRTICOS SISMO RESISTENTES ARRIOSTRADOS CONCÉNTRICAMENTE 26 1.11 UNIONES RIOSTRAS ..........................................................................................27 1.12 DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO NEC-SE-DS ......................................29 1.12.1 DERIVA DE PISO ..........................................................................................29 vi 1.12.2 CORTE BASAL DE DISEÑO V ......................................................................29 1.12.3 FACTOR DE ZONA Z ....................................................................................31 1.12.4 PERIODO DE VIBRACIÓN ............................................................................32 1.12.5 MATERIALES ................................................................................................32 1.12.6 CLASIFICACIÓN DE SECCIONES SEGÚN SU RELACIÓN ANCHO– ESPESOR ................................................................................................................33 1.12.6.1 Secciones Compactas .............................................................................33 1.12.6.2 Secciones Sísmicamente Compactas ......................................................33 1.12.7 DISEÑO DE MIEMBROS ...............................................................................34 1.12.7.1 Diseño de Miembros a Tracción ..............................................................34 1.12.7.2 Diseño de Miembros a Compresión .........................................................35 1.12.7.3 Diseño de Miembros a Flexión ................................................................39 1.12.8 DISEÑO DE CONEXIONES Y JUNTAS.........................................................42 1.12.8.1 Juntas Empernadas .................................................................................42 1.12.8.2 Juntas Soldadas ......................................................................................43 CAPÍTULO 2 ....................................................................................................................45 DISEÑO ESTRUCTURAL DE ACUERDO A LA NEC-SE-DS ..........................................45 2.1 DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO ..............................................................................45 2.2 DISEÑO SISMO RESISTENTE NEC-SE-DS .........................................................46 2.3 UBICACIÓN DEL PROYECTO ...............................................................................47 2.4 PLANTA ARQUITECTÓNICA .................................................................................48 2.5 CARGAS A CONSIDERARSE ...............................................................................49 2.5.1 CARGAS VIVAS ..............................................................................................50 2.5.2 CARGAS MUERTAS .......................................................................................50 2.6 CÁLCULO DEL PERIODO .....................................................................................50 2.7 CÁLCULO DE CORTE BASAL ...............................................................................51 2.8 CÁLCULO DE COLUMNAS (COMPRESIÓN) ........................................................53 2.9 CÁLCULO DE VIGAS (FLEXIÓN) ..........................................................................57 2.10 DISEÑO DE CONEXIONES (TRACCIÓN) ...........................................................60 2.10.1 CONEXIÓN COLUMNA - VIGA .....................................................................60 vii 2.10.2 CONEXIÓN VIGA – VIGA ..............................................................................65 2.10.3 CONEXIÓN PLACA BASE – PERNO DE ANCLAJE .....................................70 2.10.3.1 Placa base...............................................................................................70 2.10.3.2 Pernos de Anclaje ...................................................................................72 2.11 DISEÑO DE JUNTAS (SOLDADURA)..................................................................73 CAPÍTULO 3 ....................................................................................................................77 SIMULACIÓN DE PRUEBAS DE CARGA SOBRE LA ESTRUCTURA............................77 3.1 CREACIÓN DE SECCIONES .................................................................................78 3.1.1 COLUMNAS ....................................................................................................78 3.1.2 VIGUETAS .......................................................................................................78 3.1.3 TRABE INTERIOR ...........................................................................................79 3.1.4 TRABE EXTERIOR ..........................................................................................79 3.1.5 CELOSÍA .........................................................................................................80 3.2 ASIGNACIÓN DE PLANTAS TIPOS Y CARGAS A CONSIDERAR .......................81 3.2.1 CARGA VIVA ...................................................................................................81 3.2.2 CARGA MUERTA ............................................................................................83 3.3 MODELO 3D DEL EDIFICIO ..................................................................................85 3.4 SIMULACIÓN Y DATOS A COMPROBARSE ........................................................86 3.4.1 DESPLAZAMIENTOS CARGA MUERTA .........................................................86 3.4.2 DESPLAZAMIENTOS CARGA VIVA ...............................................................86 3.4.3 DESPLAZAMIENTOS SISMO EN X ................................................................87 3.4.4 DESPLAZAMIENTO SISMO EN Y ...................................................................88 3.4.5 DIAGRAMA DE MOMENTOS ..........................................................................89 3.4.5.1 Diagrama de Momento Pórtico Elevación Vista A ......................................89 3.4.6 COMPROBACIÓN DEL CORTE BASAL .........................................................91 3.4.7 MODOS DE VIBRACIÓN .................................................................................92 3.4.8 DERIVAS .........................................................................................................93 3.4.8.1 Deriva SXX ................................................................................................93 3.4.8.2 Deriva SYY ................................................................................................94 3.4.9 VERIFICACIÓN DE MIEMBROS ESTRUCTURALES......................................95 viii 3.4.10 VERIFICACIÓN DE CONEXIONES ESTRUCTURALES ...............................97 3.4.10.1 Conexión Viga – Columna (ETABS 2015) ...............................................98 3.4.10.2 Conexión Placa Base - Columna (ETABS 2015) ................................... 102 CAPÍTULO 4 .................................................................................................................. 105 ANÁLISIS DE COSTOS ................................................................................................. 105 4.1 ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS .................................................................. 105 4.2 CRONOGRAMA VALORADO DE OBRA ............................................................. 124 CAPÍTULO 5 .................................................................................................................. 126 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................. 126 5.1 CONCLUSIONES ................................................................................................. 126 5.2 RECOMENDACIONES ........................................................................................ 127 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 128 ANEXOS ........................................................................................................................ 129 ANEXO B: PLANOS DE LA ESTRUCTURA TIPO. ........................................................ 136 ix ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1.1 PLACAS TECTÓNICAS EN LAS QUE SE ENCUENTRA EL ECUADOR ....17 FIGURA 1.2 CINTURÓN O ANILLO DE FUEGO DEL PACÍFICO ...................................18 FIGURA 1.3 ESTRUCTURA SISMO RESISTENTE ........................................................23 FIGURA 1.4 TIPOS DE ARRIOSTRAMIENTOS CONCÉNTRICAMENTE .......................27 FIGURA 1.5 REQUERIMIENTOS DE LA UNIÓN RIOSTRA – PLACA NODAL PARA CONTEMPLAR EL PANDEO DE LA RIOSTRA FUERA DE SU PLANO .........................28 FIGURA 1.6 ECUADOR, ZONA SÍSMICA Y VALOR Z PARA DISEÑO...........................31 FIGURA 1.7 MIEMBRO EN COMPRESIÓN AXIAL .........................................................36 FIGURA 1.8 FACTOR DE ESBELTEZ K PARA DIFERENTES CONDICIONES DE APOYO ............................................................................................................................37 FIGURA 1.9 MIEMBRO EN FLEXIÓN, DEFINICIÓN .......................................................39 FIGURA 1.10 PARTES DE UN PERFIL I .........................................................................40 FIGURA 1.11 CURVA DE MOMENTO PLÁSTICO ..........................................................41 FIGURA 2.1 UBICACIÓN DEL PROYECTO ....................................................................47 FIGURA 2.2 PLANTA ARQUITECTÓNICA SUBSUELO N-2.80 ......................................48 FIGURA 2.3 CONEXIÓN VIGA - COLUMNA ...................................................................62 FIGURA 2.4 DISTANCIA MÍNIMA EN DIRECCIÓN DE LA FUERZA ..............................63 FIGURA 2.5 DISTANCIA MÍNIMA EN DIRECCIÓN PERPENDICULAR DE LA FUERZA63 FIGURA 2.6 PLACA CON DISTANCIA MÍNIMA ..............................................................64 FIGURA 2.7 CONEXIÓN VIGA - VIGA ............................................................................67 FIGURA 2.8 DISTANCIA MÍNIMA EN DIRECCIÓN DE LA FUERZA ..............................68 FIGURA 2.9 DISTANCIA MÍNIMA EN DIRECCIÓN PERPENDICULAR DE LA FUERZA68 FIGURA 2.10 PLACA CON DISTANCIA MÍNIMA ............................................................69 FIGURA 2.11 PLACA BASE – PERNOS DE ANCLAJE ..................................................73 FIGURA 2.12 GARGANTA EFECTIVA SOLDADURA DE FILETE ..................................75 FIGURA 2.13 LONGITUD DE SOLDADURA LONGITUDINAL Y TRANSVERSAL .........76 FIGURA 3.1 PERFIL IPN 360 SECCIÓN PARA COLUMNAS .........................................78 FIGURA 3.2 PERFIL IPN 140 SECCIÓN DE VIGUETAS ................................................78 FIGURA 3.3 PERFIL IPN 340 SECCIÓN TRABE INTERIOR ..........................................79 FIGURA 3.4 PERFIL IPN 260 SECCIÓN TRABE EXTERIOR .........................................79 FIGURA 3.5 PERFIL CUADRADO SECCIÓN CELOSÍA .................................................80 FIGURA 3.6 PLANTA SUBSUELO N-2.80 ......................................................................81