Presentado Perfil de Tesis a Uancv - Correcion

UNIVERSIDAD ANDINA “NESTOR CACERES VELASQUEZ” FACULTAD DE INGENIERIA Y CIENCIAS PURAS CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

TITULO DE PERFIL DE TESIS: “ANALISIS Y DISEÑO ALTERNATIVO EN ACERO ESTRUCTURAL DEL PALACIO MUNICIPAL DE DISTRITO DE SANTA ROSAMELGAR”

EJECUTOR:

ESTUDIANTE: CRISTOBAL JIMENEZ MUCHO PUNO-PERU

2011

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar

PERFIL DE PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

I.

TITULO: “ANALISIS Y DISEÑO ALTERNATIVO EN ACERO ESTRUCTURAL DEL PALACIO MUNICIPAL DE DISTRITO DE SANTA ROSA-MELGAR”

II.

EJECUTORES: EJECUTOR

III.

:Est. CRISTOBAL JIMENEZ MUCHO

INTRODUCCION:

El objetivo del presente trabajo de investigación, es dar a conocer la importancia de diseño en acero estructural para obras de edificación y otros; dicho por el cual desarrollaremos para el palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar, con la aplicación de modelos matemáticos facilitando el análisis estático, dinámico y de estabilidad bajo diferentes condiciones de carga, teniendo en cuenta la norma peruana RNE: E-020 (cargas), E-030 (Diseño sismo-resistente) y E.090 (Estructuras metálicas) regidos en especificaciones de AISC–LRFD. En los siglos anteriores a XX, las construcciones con elementos estructurales de acero era muy escaso en nuestra región, casi inexistente, pudiéndose apreciar la estación principal de ferrocarril de Puno y puentes del mismo, pero hoy en día es todo lo contrario al siglo pasado ya dándose una necesidad las construcciones con perfiles de acero que son

teniendo la necesidad y competencia en ingeniería civil, para procesos de selección de contrataciones de servicios de cálculos estructural o consultorías, obliga que el ingeniero civil resuelva de una forma más rápida y certera los problemas que se presentan en el análisis y diseño en acero estructural, de tal forma que en escaso tiempo se tengan las dimensiones de los elementos estructurales, con sus respectivas detalles y especificaciones técnicas, armado o montaje, peso, etc. consecuentemente se abaten costos tanto en el

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complicados en análisis y diseño de elementos estructurales con métodos tradicionales

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar tiempo de análisis, diseño, dibujo, etc., esto se puede hacer mediante la aplicación de método de elementos finitos (MEF) y la aplicación específica de software. En los últimos años, el desarrollo de los equipos y sistemas de cómputo ha permitido una comunicación mucho más rápida, directa y sencilla entre el usuario y la computadora logrando la posibilidad del desarrollo más eficiente en el análisis y diseño estructural. Para nuestro proyecto de investigación desarrollaremos específicamente “análisis y diseño alternativo en acero estructural del bloque III (auditorio-circulación), por medio de método de elementos finitos (MEF) y así mismo la aplicación de software específica, para el palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar.

IV.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

4.1.- DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA: Como consecuencia del cambio de gobierno local se paraliza la ejecución del proceso de construcción y equipamiento del palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar, causando incomodidad en desarrollo laboral de los funcionarios de esta institución y una deficiencia atención a la población en conjunto, generándose un impacto negativo al desarrollo de dicho distrito, por lo que es convocando a un proceso de selección de menor cuantía la evaluación estructural y elaboración del expediente técnico de culminación de obra en mes de marzo y así mismo nos comunican de la intervención de contraloría de la república y además hemos sido parte de ejecución de obra (gestión 2007-2010) y evaluación estructural de obra (gestión 2010-2014) en donde hemos podido observar con referente al sistema estructural específicamente de auditorio-circulación del bloque III; donde las columnas son de 0.30x0.60x(5.15 a 5.45) m., vigas de 0.30x1.00x(10.05 a 11.10) m. y losa aligerada de 0.25m, separados por juntas sísmicas en cuatro bloques, dicho por el

plantear diseño en acero estructural, definidos como elementos estructurales sometidos a una combinación de esfuerzo axial de compresión, fuerza cortante y momento flector, porque aparte de soportar carga axial de compresión y fuerza cortante de sismo, soportan también los siguientes momentos flectores: Producidos por cargas de viento y fuerzas laterales de sismo, Los generados por la acción continúa de los elementos adyacentes conectados a la columna en cuestión y Los inducidos por los efectos de segundo orden. El análisis de un pórtico es más complicado que el de un elemento sometido a compresión, o a flexión porque involucra los problemas de estabilidad de una columna como el Estudiante: Cristóbal JIMENEZ MUCHO

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cual se tiene la necesidad de conocer la respuesta estructural en concreto armado y de

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar pandeo de flexión, el pandeo torsional o el pandeo flexo-torsional; y los problemas de flecha y de estabilidad de una viga como el pandeo lateral. Una solución ideal para calcular “pórtico” es basarse en la interacción de toda la estructura. Existe una tendencia a desarrollar tal procedimiento pero por ahora prevalece el método tradicional de aislar cada elemento individual como base para el cálculo. Las normas de diseño siguen aún el método tradicional, y proponen el uso de las denominadas fórmulas de interacción, las cuales toman en cuenta los efectos de segundo orden, y brindan una aproximación bastante aceptable a los resultados teóricos. Donde la norma peruana RNE: E-090 (AISC-LRFD) emplea una fórmula para evaluar todos los posibles modos de fallo, ya sea por agotamiento de la sección o por problemas de estabilidad y así mismo. El análisis estático, dinámico y de estabilidad en sus teorías (Bernoulli-Euler y Timoshenko), han demostrado un método matricial generalizado de análisis estructural para estudiar: la estática, la dinámica y la estabilidad de estructuras de pórticos dúctiles y a-porticadas compuestas de viga-columna (pórtico) con cualquier condición de borde y soportada sobre fundación elástica que tenga en cuenta el acoplamiento entre la flexión, la cortante y la carga axial (tracción o compresión) y entre las inercias rotacionales y traslacionales, concluidos en un método llamado método de elementos finitos (MEF). Para satisfacer esta necesidad, con el desarrollo de esta investigación se aplicara un modelo teórico denominado “MEF” en diseño de acero estructural basado en los principios básicos de equilibrio: 1.

Las deformaciones a cortante y flexión a lo largo del miembro.

2.

Masas concentradas con su respectiva inercia rotacional y traslacional en ambos bordes.

3.

Masa rotacional y traslacional uniformemente distribuida a lo largo de la luz del elemento.

4.

Carga axial de tracción o compresión aplicada en ambos bordes.Fuerzas cortantes a lo largo de la luz, inducidas por la carga axial aplicada a medida que la viga se deforma. Conexiones semirrígidas rotacionales y arrostramientos laterales.

4.2.- FORMULACION DEL PROBLEMA: 

Para entender el problema principal se deberá hacer la siguiente interrogante: ¿El planteamiento de análisis y diseño alternativo en acero estructural del palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar, permitirá satisfacer la funcionalidad y seguridad estructural frente al diseño en concreto armado existente?



Así mismo se deberá hacer las siguientes preguntas específicas:

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5.

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar ¿La aplicación de método de elementos finitos (MEF) en análisis estático, dinámico y de estabilidad; que nos permite determinar en una estructura? ¿Por qué analizar el sistema estructural aporticada de diseño en concreto armado existente, del palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar? ¿Por qué realizar el análisis comparativo del planteamiento de diseño alternativo en acero estructural y de la infraestructura existente? 4.3.- AMBITO PROBLEMA O DE ESTUDIO: Para el presente proyecto de investigación se ha elegido “palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar”, compuesto con un sistema estructural aporticada (viga, columna, losa aligerada y zapatas) y tabiquería, divididos en III bloques con un área construida de 1,808.91 m2, en donde describiremos algunas características contemplantes en el expediente técnico original: 1. Bloque I, sistema estructural aporticada, constituido de 4 niveles (con semisótano) y el último nivel de techo de losa aligerada en dos aguas con un Angulo de inclinación de 20º. 2. Bloque II, sistema estructural aporticada, constituido de 3 niveles (con semisótano y azotea) y una escalera metálica entre los ejes (3’-4/B-D) y graderío de concreto simple que es parte del auditorio del bloque III. 3. Bloque III, sistema estructural aporticada, constituido de 3 niveles; en primer nivel cuenta con columnas de 0.30x0.60x (5.15 a 5.45) m., vigas de 0.30x1.00x (10.05 a 11.10) m. y losa aligerada de 0.25m de peralte, con la única diferencia de altura en columnas (2.60 a 3.00) m. en segundo nivel y el tercer y último nivel es de estructura metálica con cobertura en dos aguas. Este proyecto de estudio está situado en el distrito de Santa Rosa de la Provincia de 4022.22m.s.n.m., y ya descritos en la descripción del problema, planteando “análisis y diseño alternativo en acero estructural” específicamente para el bloque III; En donde se efectuara análisis estático, dinámico y de estabilidad bajo las condiciones de carga y diseño en acero estructural, por medio de ecuaciones definida en MEF y la aplicación de software (ETABS), con los que se comparara su funcionalidad y seguridad estructural frente al diseño en concreto armado existente del bloque III (auditoriocirculación).

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Melgar – Puno a una distancia de 30 Km. de la capital provincial y a una altitud

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar Como ya se mencionó anteriormente centraremos en análisis y diseño en acero estructural lo que significa la no contemplación de estudios de suelo, instalaciones sanitarias, instalaciones eléctricas y así mismo el presupuesto de obra. Los

factores que podrían dificultar la culminación normal del proyecto serían los

aspectos sociales, así mismo el apoyo moral de la gestión que lleva 2010-2014 del distrito de Santa Rosa-Melgar.

4.4.- OBJETIVOS: 4.5.1.- Objetivo General: Analizar en forma alternativa el diseño en acero estructural para el palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar, para satisfacer la funcionalidad y seguridad estructural frente al diseño en concreto armado existente. 4.5.2.- Objetivos Específicos: 

Aplicar método de elementos finitos (MEF) en análisis estático, dinámico y de estabilidad, de análisis estructural de diseño en concreto armado y diseño en acero estructural.



Analizar el sistema estructural de diseño en concreto armado, del palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar.



Análisis comparativo del sistema estructural: de diseño en concreto armado y de diseño en acero estructural.

4-5.- JUSTIFICACIÓN: En los últimos años se ha venido dando en forma masiva las construcciones con perfiles metálicos en obras de edificación así como en; edificios, teatros, mercados, camales,

frio y caliente, especialmente de los conocidos popularmente como perfil (CS, VS y CVS) y perfiles laminados denominado perfil “W” que son similares a los secciones ya citados anteriormente y perfiles de otras secciones “C, S, L, etc.”, catalogadas según las especificaciones técnicas de AISC-LRFD, debido principalmente a su facilidad de manejo en montaje, a su peso mínimo logrando una carga muy reducida sobre el suelo o cimentación (elementos de apoyo), material reciclable y alta resistencia al pandeo en grandes luces. Permitiendo la necesidad de conocer o analizar el comportamiento estructural y diseño en acero estructural, lo que en los siglos pasados era un arte que Estudiante: Cristóbal JIMENEZ MUCHO

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coliseos, estadios y entre otros, de nuestro país, el uso de perfiles metálicos doblados en

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar ciencia. Pero el desarrollo de los conocimientos ha sido tan significativo en los últimos años afirmando la existencia de teorías y modelos matemáticos propuestos para vaticinar el comportamiento de elementos estructurales en su conjunto de diseño en acero estructural específicamente sometidos a flexo-compresión (viga-columna: pórtico), los mismos basados en métodos estadísticos. Por tal razón se plantea “análisis y diseño alternativo en acero estructural” como solución a los elementos de grandes luces observados en bloque III (auditorio-circulación) del palacio municipal del distrito de Santa Rosa-Melgar, por medio de método de elementos finitos (MEF) y la aplicación de un software específico, pasando a ocupar un lugar de primera prioridad en los cálculos de análisis y diseño de la ingeniería estructural, en donde actualmente se encuentra en activa investigación. Hoy en día es una herramienta sumamente extendida y empleada tanto en la investigación y desarrollo de ingeniería civil; el desarrollo de método (MEF) y manejo de software, se debe indudablemente a los avances de sistemas computacionales, en que han permitido que desde un computador personal se puede dar solución a problemas que requieren una alta capacidad de procesamiento de datos. Evidentemente las aplicaciones prácticas del método no tiene límite, el método de elementos finitos se complementa mutuamente con el dominio de software para resolver problemas de ingeniería estructural, Etabs, Sap2000 y Autodex Robot Estructural Análisis, etc. Este proyecto de tesis dará a conocer el comportamiento real del sistema estructural aporticada, del palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar, ante eventos estáticos, dinámicos y de estabilidad de diseño en concreto armado y diseño en acero estructural, resultando una guía o manual muy importante para los estudiantes de ingeniería civil y así mismo para posteriores investigaciones en nuestra región.

MARCO TEORICO CONCEPTUAL:

5.1.- ANTECEDENTES DE ESTUDIO: Dentro de los antecedentes del problema de la investigación podemos citar las siguientes obras, artículos, tesis y textos: Damos a conocer diferentes tesis de investigación que han sido realizados en diferentes universidades del mundo así como: Tesis para optar el grado de Doctor: “Diseño de elementos estructurales de acero, sometidos a flexo-compresión: desarrollo teórico y estudio comparativo” de la universidad de Navarra - San Sebastián, Abril 2007; “Modelo de elementos finitos para el cálculo de arcos, Estudiante: Cristóbal JIMENEZ MUCHO

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V.

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar validación en estructuras agroindustriales de acero” de la universidad de Castilla – La Mancha, Noviembre 2003; “modelo simplificado para el comportamiento dinámico de pórticos con vigas plana-columna de concreto armado considerando el deslizamiento entre el refuerzo y el concreto en las juntas” de la Universidad de los Andes, Mérida-Venezuela; Diciembre 2003; “modelo de daño para pórticos planos de acero bajo cargas hiperestáticas” de la Universidad los Andes, Mérida Venezuela, Febrero 2002; “Análisis no lineal de losas sin vigas de hormigón armado y pretensado. Modelo general y experimentación numérica” de la Universidad Navarra; San Sebastián, Mayo 2007; y las Tesis de Pre-Grado: “Análisis de jaula de HDPE mediante método de elementos finitos” de la Universidad Austral de Chile, Valdivia-Chile 2006; “Modelación numérica no lineal de estructuras de hormigón armado sometidas a cargas cíclica” Universidad de Buenos Aires; “Análisis y diseño estructural de un edificio con SAP2000” Universidad Nacional Autónoma de México, 2009; y entre otros.

5.2.- SUSTENTO TEÓRICO: 5.2.1.- RESEÑA HISTÓRICA DE ACERO ESTRUCTURAL: Los primeros usos de hierro, componente principal de acero, fueron en la fabricación de pequeñas herramientas, aproximadamente 4000 años antes de Cristo (Murphy, 1957). Este material se usaba en forma de hierro forjado, que se producía calentando el mineral en hornos de carbón. En la última parte del siglo XVIII y principio del XIX, el hierro colado y el hierro forjado se usaron en varios tipos de puentes. El acero, aleación principalmente de hierro y carbono, con menos impurezas y menos carbono que el hierro colado, fue primero usado en la

Bessemer en 1855, el acero comenzó a desplazar el hierro forjado y el hierro colado en la construcción. En Estados Unidos, el primer puente ferroviario de acero estructural fue el puente Eads, construido en 1874 en St. Louis, Missouri (Tall, 1964). En 1884 fue terminado en Chicago el primer edificio con estructura de acero; y el primer palacio (Cristal Palace) fue en Londres en 1851 con perfile de acero.

5.2.2.- ESTRUCTURACION: Estudiante: Cristóbal JIMENEZ MUCHO

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construcción pesada en el siglo XIX. Con el advenimiento del convertidor

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar La estructuración de un edificio consiste en disponer y distribuir los elementos estructurales de forma adecuada y en la medida que la arquitectura lo disponga, tener una estructura lo más simple y uniforme posible, de tal manera que el edificio presente un buen comportamiento frente a cargas de gravedad y de sismo.El proceso de estructuración consiste en definir la ubicación y características de los diferentes elementos estructurales (losas, vigas, muros, columnas y zapatas), de tal forma que se logre dotar a la estructura de buena rigidez, además resulte fácil y confiable reproducir el comportamiento real de la estructura. Debe además evitarse que los elementos no estructurales distorsionen la distribución de fuerzas.(1) Para que estos objetivos sean cumplidos, es importante que se tenga ciertos criterios de estructuración, que a continuación se mencionan:  Simplicidad y Simetría.  Resistencia y Ductilidad.  Hiperestaticidad y Monolitismo.  Uniformidad y Continuidad de la Estructura.  Rigidez Lateral.  Existencia de Diafragmas Rígidas.  Elementos no Estructurales.  Sub-estructura o Cimentación. La estructuración es la parte de la ingeniería que consiste en crear, formar la estructura de la infraestructura, a partir de un diseño arquitectónico, que es el que primeramente da luces al comportamiento estructural de la futura infraestructura, siendo este refinado y hasta cambiado por el ingeniero estructuralista, distribuyendo y ordenando las partes del todo, teniendo en consideración que el comportamiento

Generalmente la configuración inicial y la distribución es dirigida a satisfacer los requisitos arquitectónicos y se deja de lado la parte sísmica. Se debe concebir la estructura para que resista todas las cargas a las que estará sometida la edificación durante su vida útil. Para este caso son: cargas debido al peso propio, sobrecarga de diseño normativo, carga por efectos de los sismos. Debido a ello se tendrá que

(1)

Antonio Blanco Blasco; “Estructuración y Diseño de Edificaciones de CºAº: Pag.5” y Resumen de Tesis; “PUCP”

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estructural depende de la estructuración.

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar realizar una estructuración de la edificación para que resista adecuadamente tanto las cargas estáticas como las sísmicas.

ELEMENTOS ESTRUCTURALES: Son los elementos o miembros que componen un sistema estructural. Aquí es importante que el ingeniero estructural reconozca los diversos tipos de elementos que componen una estructura y que sea capaz de clasificar las estructuras de acuerdo con su forma y función. Es decir estructuras a tensión, compresión, flexión y flexo-compresión. Definimos algunos elementos estructurales tales como:(2)  Zapatas; Es parte de la cimentación de una estructura que reparte y transmite la carga directamente al terreno y/o suelo de cimentación o a los pilotes las que son de diferentes tipos cimentaciones superficiales y profundas (zapatas aisladas, combinadas y conectadas) y (pilotes y pilares) respectivamente. En diseño de acero estructural sus dimensiones son muy reducidas debido a que las cargas que soportan son mínimas y además generalmente aisladas cumpliendo con la función de apoyo a los elementos de estructurales del edificio.  Vigas de Cimentación; las vigas de cimentación son parte de las zapatas o de la cimentación en donde estos elementos trabajan de forma invertida a las de la viga y además son miembros de arriostre controlando la rotación y el asentamiento diferencial de las zapatas excéntricas correspondiente a la columna perimetral y zapata asilada a la columna interior respectivamente, todos ellos mencionados conocido como zapatas conectadas.  Columnas; Miembros que generalmente son verticales que reciben las cargas de (vigas, losas y muros o tabiquería) y resisten cargas axiales a compresión, pero

conocidas como flexo-comprimidas. Porque aparte de soportar carga axial de compresión también está sujeto a momento flector transmitido por la viga su sección dependerá de las cargas actuantes (carga vertical y momento flector).  Tirantes; Los miembros estructurales sometidos a una fuerza de tensión se denominan tirantes o puntales de arriostramiento. Debido a la naturaleza de esta carga, estos miembros son esbeltos y generalmente de acero estructural, para

(2)

R.C. Hibbeler; “Análisis Estructural: Pag.3, 4, 5 y 6” y otros

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en la práctica las columnas son sometidas a carga axial y momento flector

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar formarlos se escogen perfiles redondos, rectangulares (varillas y barras), ángulos, canales, etc.  Vigas; Las vigas o trabes son usualmente miembros horizontales rectos usados principalmente para soportar cargas verticales y en algunos casos de arriostre a efectos de cargas horizontales, tales como del sismo; en particular, si la sección transversal varia, la viga se denomina ahusada o acartelada las que pueden ser de cualquier material. Elementos que reciben cargas de losa y las transmiten hacia las columnas o placas. Las vigas forman los denominados ejes de la estructura, teniendo las columnas ubicadas en su intersección, además de la funciones ya indicadas también cumplen con el papel de soportar las cargas sísmicas junto con las columnas y placas o muros, es de resistir los esfuerzos producidos por la fuerza horizontal del sismo (cortantes, momentos axiales) son las que ayudan a proporcionar rigidez lateral, así mismo hay varios tipos de vigas (peraltadas, chatas, peralte invertidas, perfiles W, C, I, T, L, etc.), las que dependerán de luz longitud y del sentido de las viguetas.  Losas; Son miembros de arriostre y así mismo de soporte de cargas verticales transmitidos por tabiquerías y sobrecargas actuantes sobre ella, o son los elementos que hacen factible la existencia de los pisos y techos de una edificación. Tienen dos funciones principales desde el punto de vista estructural; ligado a cargas de gravedad y la del sismo la transmisión de cargas hacia vigas y la obtención de la unidad de estructura, las que trabajara como un diafragma rígido con otros elementos estructurales. Dentro de las losas se tiene diferentes tipos (losa aligerada, maciza y nervada) en donde la losa aligerada está compuesto por concreto simple, acero de refuerzo, ladrillo de techo.

en una dirección muy superior a su ancho, proporcionan gran rigidez lateral y resistencia en esa dirección. Una columna y una placa recibe los mismos esfuerzos sin embargo el hecho de tener un largo notorio superior a su ancho, hace que tengan las placas un comportamiento interior diferente, por corte convirtiéndose en elementos de gran rigidez lateral y resistencia en la dirección de su lado, absorben las fuerzas horizontales del sismo (corte), se debe tener cuidado en la ubicación en planta con la finalidad de no crear efectos de torsión si se colocan asimétricamente. Estudiante: Cristóbal JIMENEZ MUCHO

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 Muros o Placas; Son paredes de concreto armado que dada su mayor dimensión

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5.2.3.- DISEÑO PRELIMINAR O PREDIMENSIONAMIENTO: El pre-dimensionamiento brinda con las dimensiones mínimas a las secciones de los elementos estructurales para que tengan una buena respuesta estructural ante solicitaciones por carga de gravedad y de sismo. Se trata de crear diferentes sistemas estructurales, de evaluar las cargas aproximadas que actuarían sobre ellos y de hacer un pre-dimensionamiento de los miembros que permita estimar un costo. No se debe perder de vista en ningún momento de realizar con los recursos locales disponibles para la construcción. El pre-dimensionamiento es la asignación previa de dimensiones de los miembros, se puede hacer basándose en la experiencia, o mediante métodos aproximados que convierten la estructura indeterminada en estáticamente determinada.(3)

5.2.4.- CUANTIFIACION O DETERMINACION DE CARGAS: La cuantificación de cargas comprende en determinación de todas las cargas que puede esperarse actúen sobre la estructura. Estimadas inicialmente, pero conocidas con más precisión en las sucesivas iteraciones. El metrado de cargas es una técnica de estimación de cargas actuantes sobre los distintos elementos estructurales que componen al edificio. Este proceso es aproximado ya que por lo general se desprecian efectos hiperestáticos producidos por los momentos flectores, salvo que estos serán muy importantes.(4) La determinación de cargas nos ayuda a identificar las fuerzas exteriores que actúan sobre la estructura, así como todos aquellos efectos que puedan afectar a su comportamiento (errores de forma, movimientos de los apoyos).

resistir las cargas que se les imponga como consecuencia de su uso previsto. Estas actuarán en las combinaciones prescritas y no deben causar esfuerzos ni deformaciones que excedan los señalados para cada material estructural en su

(3) (4)

Jairo Uribe Escamilla; “Análisis de Estructuras: Pag. 26” Ángel San Bartolomé; “Análisis de Edificios: pág. 1 - 2”

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TIPOS DE CARGAS: Las edificaciones y todas sus partes deberán ser capaces de

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar Norma de diseño específica. Además estas cargas son clasificadas en siguiente tipos: Cargas Estáticas, Cargas Dinámicas y otras Solicitaciones.(5) 1. CARGAS ESTATICAS: Son aquellas que se aplican lentamente sobre la estructura, lo cual hace que se originen esfuerzos y deformaciones que alcanzan sus valores máximos en conjunto con la carga máxima. Prácticamente, estas solicitaciones no producen vibraciones en la estructura, ya su vez clasifican en: A. Carga Muerta; Es una carga de gravedad fija en posición y magnitud, y se define como el peso real de todos aquellos elementos que se encuentran permanentemente en la estructura o adheridos a ella, como tuberías, conductos de aire, aparatos de iluminación, acabados de superficie, cubiertas de techos, cielos rasos suspendidos, etc. Se completa la información de estas cargas cuando se ha terminado el diseño. En la práctica, los reglamentos de construcción proporcionan tablas que ayudan al diseñador a tener una mejor idea de la magnitud de las mismas según la norma peruana E-020. B. Carga Viva; Es aquella carga de gravedad que actúa sobre la estructura cuando ésta se encuentra ya en servicio y que puede variar en posición y valor durante la vida útil de la estructura. Es el peso de todos los ocupantes, materiales, equipos, muebles y otros elementos movibles soportados por la edificación. Por ejemplo, las personas, muebles, equipo móvil, vehículos, y mercadería en depósito, etc.(6) B.1.- CARGA VIVA DEL PISO:

a) Cuando la ocupación o uso de un espacio no sea conforme con ninguno de los que figuran en la Tabla 1, del RNE: E-020, el proyectista determinará la carga viva justificándola ante las autoridades competentes. b) Las cargas vivas de diseño deberán estar claramente indicadas en los planos del proyecto. Carga Viva Concentrada (5) (6)

Luis F. Zapata Bablietto; “Diseño Estructural en Acero: pág. 4 – 15” Reglamento Nacional de Edificaciones “RNE: E-020”

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Carga Viva Mínima Repartida

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar a) Los pisos y techos que soporten cualquier tipo de maquinaria u otras cargas vivas concentradas en exceso de 5,0 kN (500 kgf) (incluido el peso de los apoyos o bases), serán diseñados para poder soportar tal peso como una carga concentrada o como grupo de cargas concentradas. b) Cuando exista una carga viva concentrada, se puede omitir la carga viva repartida en la zona ocupada por la carga concentrada. B.2 CARGA VIVA DEL TECHO: Se diseñarán los techos y las marquesinas tomando en cuenta las cargas vivas, las de sismo, viento y otras prescritas a continuación. Carga Viva.- Las cargas vivas mínimas serán las siguientes: a. Para los techos con una inclinación hasta de 3° con respecto a la horizontal, 1,0 kPa (100 kgf/m2). b. Para techos con inclinación mayor de 3°, con respecto a la horizontal 1,0 kPa (100 kgf/m2) reducida en 0,05 kPa (5 kgf/m2), por cada grado de pendiente por encima de 3°, hasta un mínimo de 0,50 kPa (50 kgf/m2). c. Para techos curvos, 0,50 kPa (50 kgf/m2). d. Para techos con coberturas livianas de planchas onduladas o plegadas, calaminas, fibrocemento, material plástico, etc., cualquiera sea su pendiente, 0,30 kPa (30 kgf/m2), excepto cuando en el techo pueda haber acumulación de nieve, en cuyo caso se aplicará lo indicado en el Artículo 11. e. Cuando se trate de malecones o terrazas, se aplicará la carga viva

f. Cuando los techos tengan jardines, la carga viva mínima de diseño de las porciones con jardín será de 1,0 kPa (100 kgf/m2). Excepto cuando los jardines puedan ser de uso común ó público, en cuyo caso la carga viva de diseño será de 4,0 kPa (400 kgf/ m2). g. Cuando se coloque algún anuncio o equipo en un techo, el diseño tomará en cuenta todas las acciones que dicho anuncio o equipo ocasione. B.3 CARGA DE NIEVE: Estudiante: Cristóbal JIMENEZ MUCHO

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correspondiente a su uso particular, según se indica en la Tabla 1.

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar La estructura y todos los elementos de techo que estén expuestos a la acción de carga de nieve serán diseñados para resistir las cargas producidas por la posible acumulación de la nieve en el techo. La sobrecarga de nieve en una superficie cubierta es el peso de la nieve que, en las condiciones climatológicas más desfavorables, puede acumularse sobre ella. En zonas en la cuales exista posibilidad de nevadas importantes, deberá prestarse especial atención en la selección apropiada de las pendientes de los techos. La carga de nieve debe considerarse como carga viva a más de 3000 m.s.n.m. de altitud será igual a 150 kg/cm3 y un espesor no menor de 30 cm. No será necesario incluir en el diseño el efecto simultáneo de viento y carga de nieve. 2. CARGAS DINÁMICAS: Son aquellas cuya magnitud, dirección y sentido varían rápidamente con el tiempo, por lo que los esfuerzos y desplazamientos que originan sobre la estructura, también cambian con el tiempo; cabe indicar que el instante en que ocurre la máxima respuesta estructural, no necesariamente coincide con el de la máxima solicitación; Estas cargas clasifican en: A. Cargas de Viento; Todas las estructuras están sujetas a la acción del viento y en especial las de más de 2 o 3 pisos de altura o en aquellas en las zonas donde la velocidad del viento es significativa o en las que debido a su forma, son más vulnerable a los efectos aerodinámicos. toda edificación será diseñado para resistir las cargas (presiones y succiones) exteriores e interiores debidas al viento, suponiendo que éste actúa en dos direcciones horizontales perpendiculares entre sí.

grandes superficies expuestas a la acción del viento, las cargas del viento pueden ser más importantes que las cargas debidas al sismo. Velocidad de Diseño; La velocidad de diseño del viento hasta 10 m de altura será la velocidad máxima adecuada a la zona de ubicación de la edificación (Ver Anexo 2) pero no menos de 75 Km/h. La velocidad de diseño del viento en cada altura de la edificación se obtendrá de la siguiente expresión.

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En el caso de las estructuras de acero, por su peso propio relativamente bajo y

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar ( (

)

) {

Carga Exterior De Viento; La carga exterior (presión o succión) ejercida por el viento se supondrá estática y perpendicular a la superficie sobre la cual se actúa. Se calculará mediante la expresión: (

{

(

)

)

TABLA Nº 04; FACTORES DE FORMA (C) * CONSTRUCCION BARLOVENTO SOTAVENTO Superficies verticales de edificios + 0.80 - 0.60 Anuncios, muros aislados, elementos con una dimensión corta en el sentido del viento + 1.50 Tanques de agua, chimeneas y otros de sección circular o elíptica

+ 0.70

Tanques de agua, chimeneas, y otros de sección cuadrada o rectangular

+ 2.00

Arcos y cubiertas cilíndricas con un ángulo de inclinación que no exceda 45°

-+ 0.80

- 0.50

Superficies inclinadas a 15° o menos 0.30 - 0.70 - 0.60 Superficies inclinadas entre 15° y 60° 0.70 - 0.30 - 0.60 Superficies inclinadas entre 60° y la vertical + 0.80 - 0.60 Superficies verticales ó inclinadas(planas ó curvas) paralelas a la dirección- del 0.70viento - 0.70 * El signo positivo indica presión y el negativo succión.

Carga Exterior De Viento; Para el diseño de los elementos de cierre, incluyendo sus fijaciones y anclajes, que limitan en cualquier dirección el nivel que se analiza, tales como paneles de vidrio, coberturas, alféizares y elementos de cerramiento, se

interiores (presiones y succiones) calculadas con los factores de forma para presión interior de la Tabla 5.

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adicionará a las cargas exteriores calculadas anteriormente definidas, las cargas

TABLA Nº 05; FACTO RES DE FO RMA PARA DETERMINAR CARGAS ADICIO NALES EN ELEMENTO S DE CIERRE ©

AB ER TUR AS Uniforme en lados a barlovento y sotavento Principales en lado a barlovento Principales en lado a sotavento o en los costados

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C -+ 0.30 + 0.80 - 0.60

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar B. Cargas de Sismo; Los terremotos producen movimientos horizontales y verticales. Los movimientos horizontales son los que generan en la estructuras los efectos más significativos. Cuando el suelo se mueve, la inercia de la masa de la estructura tiende a resistir tal movimiento.

5.2.5.- ANALISIS ESTRUCTURAL: El análisis estructural es la predicción de comportamiento de una estructura dada bajo cargas prescritas y otros efectos externos. El análisis estructural es la determinación de los esfuerzos internos es decir el estado de deformaciones y tensiones que se producen en el interior de la estructura.(7) En análisis estructural, se usan los valores de cargas para llevar a cabo un análisis de la estructura para determinar los esfuerzos o las resultantes de esfuerzos en miembros, y las deflexiones en diversos puntos de la estructura. Las características del comportamiento que por lo común interesa en el diseño de estructuras son: 1. Resultantes de los esfuerzos como fuerzas axiales, fuerza cortante y momento flector. 2. Deflexiones. 3. Reacciones en los apoyos. COMBINACIÓN DE CARGAS: las cargas nominales serán las cargas mínimas

cargas. FACTORES DE CARGA Y COMBINACIÓN DE CARGAS.- Para determinar la resistencia requerida de la estructura debe ser determinada para la una adecuada combinación critica de cargas factorizadas, todas las cargas consideradas en la presente Norma se considerará que actúan en las siguientes combinaciones, la que

(7)

Flavo Abanto Castillo; “Análisis y Diseño de Edificaciones de Albañilería: pág. 82”

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de diseño establecidos en la norma técnica peruana en el artículo 19 de E.020, de

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar produzca los efectos más desfavorables en el elemento estructural considerando, con las reducciones, cuando sean aplicables: 

Según el capítulo 9.2.- Requisitos Generales de Resistencia: tal como ya se citó en la norma E-060 del artículo 19: REGLAMENTO RNE: E-060

COMBINACIONES DE CARGA

D = Carga muerta o peso propio. L = Carga viva L = Carga viva, incluido impacto si hay W = Carga de viento E = Carga de sismo (RNE: E-030) U = Carga ultima total Lr= Carga viva en las azoteas o tejados H = Carga debidas al empuje de terreno o presión lateral del suelo F= Carga debidas al empuje liquido o presión lateral de líquidos T = Carga debidas asentamientos diferenciales. S = Cargas de lluvia, nieve y granizo; estas serán considerados como cargas vivas. 

U = 1.40 D + 1.70 L U = 1.25 (D + L +- W) U = 0.90 D +- 1.25 W U = 1.25 (D + L) +- E U = 0.90 D +- E U = 1.40 D + 1.70 L + 1.70 H U = 0.90 D + 1.70 H. U = 1.40 D + 1.70 L + 1.40 F U = 1.05 D + 1.25 L + 1.05 T U = 1.40 D + 1.40 T.

Según el capítulo 1.4.1 de la norma E.090, Estructuras metálicas según AISCLRFD. COMBINACIONES DE CARGA

D = Carga muerta o peso propio.

U = 1.40 D

L =Carga viva, mobiliario y ocupantes.

U=1.2 D +1.6 L+0.5 (Lr o S o R)

Lr= Carga viva en las azoteas. R = Carga por lluvia o granizo. W = Carga de viento. S = Cargas de nieve.

U = 1.20 D +1.60 (Lr o S o R)+ (0.50 L o 0.80 W) U = 1.20 D + 1.30 W + 0.50 L + 0.50 (Lr o S o R)

E = Carga de sismo, RNE: E-030

U = 1.20 D +– 1.00 E + 0.50 L + 0,20 S

U = Carga ultima total

U = 0.90 D +– (1.30 W o 1.00 E)

Las combinaciones de 3, 4 y 5 el factor de carga para L debe considerarse igual a 1.0 en el caso de estacionamientos, auditorios y todo lugar donde la carga viva sea

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REGLAMENTO LRFD (RNE: E-090)

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar mayor a 4800 Pa. El método LRFD, combinaciones aplicadas en ecuaciones 2 y 3 se debe tener en cuenta del impacto si es que hubiera. Impacto; Se define como impacto al efecto dinámico de las cargas vivas súbitamente aplicadas. No se consideran como cargas de impacto el transitar de personas o el movimiento de muebles y más bien tienen dicho efecto algunas cargas de equipos como elevadores o puentes grúas y equipos de arranque o detención instantáneos. Para considerar el impacto, el Reglamento AISC y RNE: E-090, indica que las cargas vivas nominales serán incrementadas en un porcentaje como se indican a continuación: a. Para apoyos de ascensores:

100%.

b. Para apoyos de maquinaria liviana accionada por ejes o motores:

20%.

c. Para apoyos de máquinas (vibratoria) reciprocantés:

50%.

d. Para tirantes que soportan pisos y voladizos:

33%.

e. Para vigas de puentes grúas con cabina de operador y sus conexiones:

25%

f. Para vigas de puentes grúas con control colgante y sus conexiones;

10%

5.2.6.- EVALUACION O COMPROBACION DE SEGURIDAD Y UTILIDAD: Se debe preguntar si la resistencia o condiciones de servicio que se obtienen de acuerdo a un reglamento superan a las demandas que se establecen en los resultados de la etapa previa. Si hay un margen de seguridad adecuado y económico se puede dar por concluido el diseño; si no se va la siguiente etapa. Aquí se usan los resultados del análisis para determinar si la estructura satisface o no los requisitos de seguridad y utilidad de los códigos de diseño. Si estos

especificaciones de la estructuración, y se inicia la fase de construcción. DISEÑO SISMORRESISTENTE: GENERALIDADES: Según el artículo 3; La filosofía del diseño sismo resistente consiste en del NTP E-030: a. Evitar pérdidas de vidas. b. Asegurar la continuidad de los servicios básicos.

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requisitos se satisfacen, entonces se preparan los dibujos de diseño y las

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar c. Minimizar los daños a la propiedad. Se reconoce que dar protección completa frente a todos los sismos no es técnica ni económicamente factible para la mayoría de las estructuras. En concordancia con tal filosofía se establecen en esta Norma los siguientes principios para el diseño: 

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 límites aceptables.

Zonificación.- El territorio nacional se considera dividido en tres zonas, como se muestra en la Figura N° 1. La zonificación propuesta se basa en la distribución espacial de la sismicidad observada, las características generales de los movimientos sísmicos y la atenuación de éstos con la distancia epicentral, así como en información neo-tectónica. En el Anexo N° 1 se indican las provincias que corresponden a cada zona.

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FIGURA N° 1

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Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar A cada zona se asigna un factor Z según se indica en la Tabla N°1. Este factor se interpreta como la aceleración máxima del terreno con una probabilidad de 10 % de ser excedida en 50 años. TABLA Nº1: FACTOR DE ZONA

ZONA 3 2 1

Z 0.40 0.30 0.15

U = Factor de uso e importancia: TABLA Nº 02: FACTOR DE USO CATEGORIA DE LA EDIFICACION U A = Edificaciones Esenciales 1.50 B = Edificaciones Importantes 1.30 C = Edificaciones Comunes 1.00 D = Edificaciones Menores (*) (*); En estas edificaciones, a criterio del especialista, se podra omitir el analisis por fuerzas sismicas, pero debera proveerse de la resistencia y rigidez adecuada

S = Factor del tipo de suelo: TABLA Nº 03; PARAMETROS DEL SUELO TIPO DESCRIPCION: Tp (seg.) S1 Roca o suelo muy rigido 0.40 S2 Suelos intermedios 0.60 S3 Suelos flexibles o con estrato de gran espesor 0.90 S4 Condiciones excepcionales (*) (*): Los valores de "Tp y S" para este caso seran establecidos por el especialista, pero en ningun caso seran menores que los especificados perfil tipo S3.

S 1.00 1.20 1.40 (*) para el

TABLA Nº 04; SISTEMA ESTRUCTURAL DE FACTOR DE REDUCCION SISTEMA ESTRUCTURAL R Acero Porticos ductiles con uniones resistentes a momentos 9.50 Otras estructuras de Acero Arriostres excentricas 6.50 Arriostres en cruz 6.00 Concreto Armado Porticos (1) 8.00 Dual (2) 7.00 De muros estructurales (3) 6.00 Muros de ductibilidad limitada (4) 4.00 Albañileria Armada o Confinada (5) 3.00 Madera (por esfuerzos admisibles) 7.00

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R = Factor de Reducción:

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar C = Factor de Amplificación Sísmica: (

)

ANÁLISIS DE EDIFICIOS: PESO DE LA EDIFICACIÓN: El peso (P), se calculará adicionando a la carga permanente y total de la Edificación un porcentaje de la carga viva o sobrecarga que se determinará de la siguiente manera: a. En edificaciones de las categorías A y B, se tomará el 50% de la carga viva. b. En edificaciones de la categoría C, se tomará el 25% de la carga viva. c. En depósitos, el 80% del peso total que es posible almacenar. d. En azoteas y techos en general se tomará el 25% de la carga viva. e. En estructuras de tanques, silos y estructuras similares se considerará el 100% de la carga que puede contener. Desplazamientos Laterales; Los desplazamientos laterales se calcularán multiplicando por 0,75R los resultados obtenidos del análisis lineal y elástico con las solicitaciones sísmicas reducidas.

Para el cálculo de los

desplazamientos laterales no se considerarán los valores mínimos de C/R indicados en el Art. 17.3 (fuerza cortante en la base) ni el cortante mínimo en la base especificado en el Artículo 18.2 d (de análisis dinámico). Determinación de Desplazamientos en Cada Piso (δi).- Para lo que utilizaremos la siguiente expresión: Desplazamientos Laterales Permisibles; El máximo desplazamiento relativo

deberá exceder la fracción de la altura de entrepiso que se indica en la Tabla N° 7. TABLA Nº 07; LIMETES PARA DESPLAZAMIENTO LATERAL DE ENTREPISO NO SO N APLIC ABLES A NAVES INDUSTRIALES

MATERIAL PREDOMINANTE Concreto Armado Acero Albañileria Madera

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(Di/hei) 0.0070 0.0100 0.0050 0.0100

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de entrepiso, calculado según el Artículo 16.4 (desplazamientos laterales), no

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar Efectos De Segundo Orden (P-Delta); Los efectos de segundo orden deberán ser considerados cuando produzcan un incremento de más del 10 % en las fuerzas internas. Para estimar la importancia de los efectos de segundo orden, podrá usarse para cada nivel el siguiente cociente como índice de estabilidad:

ANÁLISIS ESTÁTICO: Este método representa las solicitaciones sísmicas mediante un conjunto de fuerzas horizontales actuando en cada nivel de la edificación. Debe emplearse sólo para edificios sin irregularidades y de baja altura según se establece en el Artículo 14 (14.2) del RNE E-030. Período Fundamental a. El período fundamental para cada dirección se estimará con la siguiente expresión:

Dónde: CT = 35 para edificios cuyos elementos resistentes en la dirección considerada

sean

únicamente

pórticos.

CT = 45 para edificios de concreto armado cuyos elementos sismorresistentes sean pórticos y las cajas de ascensores y escaleras. CT = 60 para estructuras de mampostería y para todos los edificios de

muros de corte. b. También podrá usarse un procedimiento de análisis dinámico que considere las características de rigidez y distribución de masas en la estructura. Como una forma sencilla de este procedimiento puede usarse la siguiente expresión:

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concreto armado cuyos elementos sismorresistentes sean fundamentalmente

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar

√(

∑ ∑

)

Fuerza Cortante en la Base; La fuerza cortante total en la base de la estructura, correspondiente a la dirección considerada, se determinará por la siguiente expresión: ( ) Distribución de la Fuerza Sísmica en Altura; Si el período fundamental T, es mayor que 0.70 s, una parte de la fuerza cortante V, denominada Fa, deberá aplicarse como fuerza concentrada en la parte superior de la estructura. Esta fuerza Fa se determinará mediante la expresión: { El resto de la fuerza cortante, es decir (V – Fa) se distribuirá a cada nivel, incluyendo el último, con la siguiente expresión:

∑

{

Efectos De Torsión; Se supondrá que la fuerza en cada nivel (Fi) actúa en el centro de masas del nivel respectivo y debe considerarse además el efecto de excentricidades accidentales como se indica a continuación. Para cada dirección de análisis, la excentricidad accidental en cada nivel (ei), se considerará como 0,05 veces la dimensión del edificio en la dirección perpendicular a la de la

En cada nivel además de la fuerza actuante, se aplicará el momento accidental denominado Mti que se calcula como: { Se puede suponer que las condiciones más desfavorables se obtienen considerando las excentricidades accidentales con el mismo signo en todos los

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acción de las fuerzas.

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar niveles. Se considerarán únicamente los incrementos de las fuerzas horizontales no así las disminuciones. Fuerzas Sísmicas Verticales; La fuerza sísmica vertical se considerará como una fracción del peso. Para las zonas 3 y 2 esta fracción será de 2/3 Z. Para la zona 1 no será necesario considerar este efecto. ANÁLISIS DINÁMICO: El análisis dinámico de las edificaciones podrá realizarse mediante procedimientos de combinación espectral o por medio de análisis tiempo-historia. Para edificaciones convencionales podrá usarse el procedimiento de combinación espectral; y para edificaciones especiales deberá usarse un análisis tiempo-historia. Análisis por combinación modal espectral a. Modos de Vibración; Los periodos naturales y modos de vibración podrán determinarse

por

un

procedimiento

de

análisis

que

considere

apropiadamente las características de rigidez y la distribución de las masas de la estructura. b. Aceleración Espectral; Para cada una de las direcciones horizontales analizadas se utilizará un espectro inelástico de pseudo-aceleraciones definido por: { Para el análisis en la dirección vertical podrá usarse un espectro con valores iguales a los 2/3 del espectro empleado para las direcciones horizontales.

correspondiente al efecto conjunto de los diferentes modos de vibración empleados (ri) podrá determinarse usando la siguiente expresión.

∑| |

√∑

Alternativamente, la respuesta máxima podrá estimarse mediante la combinación cuadrática completa de los valores calculados para cada modo.

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c. Criterios de Combinación; La respuesta máxima elástica esperada (r)

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar En cada dirección se considerarán aquellos modos de vibración cuya suma de masas efectivas sea por lo menos el 90% de la masa de la estructura, pero deberá tomarse en cuenta por lo menos los tres primeros modos predominantes en la dirección de análisis. d. Fuerza Cortante Mínima en la Base; Para cada una de las direcciones consideradas en el análisis, la fuerza cortante en la base del edificio no podrá ser menor que el 80 % del valor calculado según el Artículo 17 (17.3) para estructuras regulares, ni menor que el 90 % para estructuras irregulares. e. Efectos de Torsión; La incertidumbre en la localización de los centros de masa en cada nivel, se considerará mediante una excentricidad accidental perpendicular a la dirección del sismo igual a 0,05 veces la dimensión del edificio en la dirección perpendicular a la dirección de análisis. En cada caso deberá considerarse el signo más desfavorable. Análisis Tiempo-Historia.- El análisis tiempo historia se podrá realizar suponiendo comportamiento lineal y elástico y deberán utilizarse no menos de cinco registros de aceleraciones horizontales, correspondientes a sismos reales o artificiales. Estos registros deberán normalizarse de manera que la aceleración máxima

corresponda

al

valor

máximo

esperado

en

el

sitio.

Para edificaciones especialmente importantes el análisis dinámico tiempohistoria se efectuará considerando el comportamiento inelástico de los elementos de la estructura. 5.2.7.- DISEÑO FINAL: Es la última etapa del proceso de diseño y/o selección de un elemento estructural en

es decir es la toma de decisión con parámetros mínimos que debe cumplir un elemento caso contrario se redimensionara dicho elemento. Una vez conocida las cargas internas en donde satisfacen los criterios de resistencia, estabilidad y deflexión, en caso contrario se repiten los fases de 3 a 5 hasta que satisfagan todo los requisitos de seguridad y utilidad. Queda, finalmente, decidir si es que se ha alcanzado el óptimo buscado en un diseño.

5.2.8.- DIBUJO DE PLANOS: Estudiante: Cristóbal JIMENEZ MUCHO

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donde se calculan los esfuerzos y se verifica las dimensiones iniciales del elemento,

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar Consiste en elaborar planos de Diseño y sus Especificaciones de trabajo correspondientes. En algunos casos, son necesarios la presentación de maquetas o métodos de izaje (montaje); en otros casos se requiere la elaboración de los llamados Planos de Fabricación (en acero estructural), que son aquellos en que se detalla cada miembro para que sean preparados en los talleres o industrias, así como todas sus conexiones.

5.2.9.- CONSTRUCCION: Es la etapa final en donde se requiere ordenar los diversos componentes de la estructura y planear las actividades que implica el montaje real de esta. Para esto, todas las etapas de construcción se deben inspeccionarse para garantizar que la estructura está construida de acuerdo con los planos de diseño especificados.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO ESTRUCTURAL

PLANEMAINETO

ESTRUCTURACION

PREDIMENSIONAMIENTO

ANALISIS ESTRUCTURAL

NO

SI

DISEÑO OPTIMO

ELABORACION DE PLANOS

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NO

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DISEÑO PRELIMINAR

REDISEÑAR

CUANTIFICACION DE CARGAS

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5.3.- MARCO CONCEPTUAL:  ESTRUCTURA.- Una estructura es un conjunto de elementos conectados con el fin de resistir y/o resistentes organizados en un solo sistema que soportan acciones externas (a estas cargas externas se les llama solicitaciones) porque la estructura es solicitada a soportar cargas; la idea de una estructura conjuga dos aspectos muy importantes: 

Resistir



Resistentes : para soportar cargas hay que hacer elementos estructurales.

: soportar cargas.

Un esfuerzo es una estructura compuesta de miembros rígidos unidos por sus extremos, los miembros comúnmente utilizados en la construcción suelen ser de estructura de concreto armado o perfiles de acero.  ANALISIS: Consiste en crear un modelo matemático más adecuado a la realidad del verdadero comportamiento estructural de la edificación, Se aplican los métodos de la Mecánica para determinar los esfuerzos internos y las deformaciones que se originan en la estructura con el objeto de poder compararlos con la resistencia que deberán tener dichos miembros, como consecuencia de las cargas y las fuerzas actuantes en los miembros determinadas por la teoría de la mecánica estructural.  SISTEMA: Es un conjunto de elementos estructurales con las mismas características y propiedades que lleva una estructura.  SISTEMA ESTRUCTURAL: El sistema estructural también conocido conjunto de elementos estructurales compuestos de estructuras a tensión, compresión, flexión y flexo-compresión.

industrializada, lo cual asegura un adecuado control de calidad. Este material se caracteriza por una elevada resistencia, rigidez y ductilidad respecto a otro material disponible (tiene la capacidad de soportar deformaciones plásticas sin disminuir su capacidad resistente), por cual su uso es muy recomendable para construcciones sismoresistentes y elementos con grandes luces.  PERFIL LAMINADO: Es cuando el acero con pequeño contenido de carbono que no admite el temple, es lo que vulgarmente se llama perfil laminado. Se obtiene por laminación de aceros suaves soldables. En el comercio se les designa por la forma de Estudiante: Cristóbal JIMENEZ MUCHO

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 ACERO ESTRUCTURAL: El acero de uso estructural es un material de fabricación

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar su sección, altura y ancho. Sus dimensiones se expresan en milímetros, fabricándose de 4 a 16 m de longitud.  LAMINADO EN FRIO: Es el proceso más común de laminado y consiste en calentar la lupia o planchón a una temperatura que permita el comportamiento plástico del material para así extruirlo en los “castillos” de laminado (I. monográfica Leyddy M. Melendez A.).  LAMINADO EN FRIO: Es un proceso que permite obtener secciones con un punto de fluencia más elevado, al extruir el material a temperatura completamente más baja que la del laminado en caliente (I. monográfica Leyddy M. Melendez A.).  PEFILES O TIPOS DE ACERO ESTRUCTURAL: Dentro de los perfiles de acero estructurales tenemos varios tales como: W = Viga de Patín Ancho, M = Viga Miscelánea, S = Viga Estándar Americana, C = Canal Estándar Americana, MC = Canal Miscelánea, L = Ángulo, WT = Té estructural cortado de una W y otros.  ACERO DE REFUERZO: Está constituido por varillas o barras generalmente corrugadas de acero compuesto de los elementos (carbón que oscila entre 0.05 - 1.7%, magnesio, silicio, cromo, níquel, vanadio entre los más importantes); El carbono es el determinante sus propiedades mecánicas a mayor contenido de carbono aumenta la dureza, resistencia a la atracción y el limite clásico y disminuye la ductilidad y la tenacidad. Las que son fundidas a 1400 y 1500 ªC y moldeadas del hierro.  CONCRETO SIMPLE: Es una mezcla de cemento portland, agregado fino, agregado grueso y agua. Donde en la mezcla que el agregado grueso deberá estar totalmente envuelto por la pasta de cemento, el agregado fino deberá rellenar los espacios entre el agregado grueso y a la vez estar recubiertos por las mismas pastas.

esfuerzos

sin

adquirir

grandes

deformaciones

o

desplazamientos

(es.wikipedia.org/wiki/Rigidez).  DEFORMACION: Es la variación de la longitud de un cuerpo causado por el esfuerzo unitario interno producido por una fuerza externa. (F. Abanto Castillo). La deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo o la ocurrencia de dilatación térmica (es.wikipedia.org/wiki/Deformación). Estudiante: Cristóbal JIMENEZ MUCHO

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 RIGIDEZ: Es la capacidad de un objeto sólido o elemento estructural para soportar

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar  DESPLAZAMIENTO: Es la variación de longitud de la trayectoria comprendida entre la posición inicial y la posición final de un punto material, incluyendo el desplazamiento axial, por corte y rotaciones (F. Abanto Castillo).  DIAFRAGMA: Pieza estructural rígida que puede soportar el esfuerzo cortante al estar cargado en una dirección paralela a un plano.  LA RESISTENCIA: Es la capacidad de realizar esfuerzos de muy larga duración, así como esfuerzos de intensidades. Una estructura no es otra cosa que un sistema de reacciones y fuerzas internas capaces de equilibrar un sistema de fuerzas externa. Los elementos estructurales son capaces de resistir los efectos de fuerzas que actúan debido a la composición molecular de la materia que los constituye.  ESFUERZOS: Esfuerzos es el término para esta concertación de fuerzas internas en un elemento estructural, el esfuerzo es una fuerza por unidad de área (que se expresa como esfuerzo f= P/A). Las unidades de las fuerzas internas son libras por pulgada cuadrada y pascales (Pa) (1 Pa es igual 1 N/m).  DUCTILIDAD: es una propiedad que presentan algunos materiales, como la aleación metálica, lo cual bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse hasta llegar a su esfuerzo de roptura.  GRADO DE LIBERTAD: Es el conjunto de deformaciones lineales y angulares en la dirección actuante, el GDL de un mecanismo es el número de parámetros independientes que se necesitan para definir su posición en el espacio en cualquier instante, siendo las cuales diversas traslaciones o rotaciones requeridas para definir el

 PESO: es la fuerza debida a la aceleración de la gravedad que actúa sobre la masa de un cuerpo.  DISEÑO: Dimensionamiento y detallado de los componentes y conexiones de un edificio para satisfacer los requisitos de estas Especificaciones.  FUERZA: es la acción de un cuerpo que actúa sobre otro provocando una aceleración del segundo cuerpo, a menos que éste reciba una acción igual y opuesta que contrarreste el efecto del primer cuerpo. Es un parámetro vectorial. Estudiante: Cristóbal JIMENEZ MUCHO

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movimiento de un nodo.

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar  CONCRETO ARMADO: El concreto armado es la unión de concreto simple y acero de refuerzo tales han sido construidas todo los elementos estructurales del sistema estructural del palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar.  SEGURIDAD ESTRUCTURAL: La no poseer vibraciones que provoquen inquietud o falta de confort a quienes ocupan un edificio, es decir controlar deformaciones y deflexiones de los elementos estructurales, de tal forma que no se produzcan en el edificio, o partes del mismo, daños que tengan su origen o afecten a la cimentación, los soportes, las vigas, los forjados, los muros de carga u otros elementos estructurales, y que comprometan directamente la resistencia mecánica y la estabilidad del edificio.  FUNCIONALIDAD ESTRUCTURAL: Es garantizar con las funciones de una estructura en su utilización y accesibilidad con referente a las dimensiones de los espacios, dotación adecuada y soportar cargas de gravedad y sismo Que una estructura no se deforma en una forma tal que me destruya el marco de una ventana.

5.4.- HIPÓTESIS: La respuesta estructural obtenida alternativamente mediante el diseño en acero estructural para el palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar, ofrece mayor funcionalidad y seguridad estructural, frente al diseño en concreto armado existente. Dentro de las hipótesis específicas tendremos: 

La aplicación de “MEF” en análisis estático, dinámico y de estabilidad, en una estructura permite analizar minuciosamente: deformaciones y deflexiones frente a eventos externos; logrando un sustento científico y facilitando la interpretación de resultados obtenidos en seguridad de la ingeniería estructural.



El sistema estructural aporticada (viga-columna) de la infraestructura existente, tienden

particularmente en bloque III (auditorio-circulación). 

El planteamiento de diseño en acero estructural es más resistente y dúctil frente a eventos externos y grandes luces particularmente en bloque III en comparación al diseño en concreto armado existente.

5.5.- IDENTIFICACION DE VARIABLES:

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a elementos muy flexibles requiriéndose rigidizar, frente a esfuerzos de sismo,

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar Variable Independiente (causa).- El tipo de diseño: en acero estructural y en concreto armado existente para el palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar y así mismo la aplicación técnicas de análisis (MEF) y software en este proyecto de tesis. X = Diseño Alternativo en Acero Estructural Indicadores: Características particulares y típicas de cada análisis estructural.  Tipos de diseño.  Capacidad estructural.  Restricciones de diseño.  Manejo de software. Variable Dependiente (efecto).- la obtención de respuesta estructural bajo el tipo de diseño en acero estructural con respecto a su rigidez, deformación y estabilidad permitirá verificar la funcionalidad y seguridad estructural para el palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar frente al diseño en concreto armado existente. Y = Funcionalidad y Seguridad Estructural Indicadores: De acuerdo al análisis y diseño alternativo en acero estructural.  Sistema estructural.  Ubicación Geográfica.  Asistencia técnica y.  Factores de diseño (estático y dinámico).

VI.

Problema

EFECTOS (Yi) Funcionalidad y seguridad estructural de una edificación. - Rigidez - Deformaciones (grados de libertad) - Deflexiones - Estabilidad

METODOLOGIA Y TIPO DE INVESTIGACION: nomenclatura

6.1.- METODOLOGIA DE ESTUDIO: La metodología a desarrollar es básicamente de deducción y síntesis de teorías, generalizado en un método denominado método de elementos finitos (MEF) el cual es un método que presenta conceptos, teoremas y ecuaciones analíticos disponibles en la literatura para análisis sismo-resistente (respuesta estructural) resultados de la recopilación de diferentes bibliografías (textos, tesis, artículos

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CAUSAS (Xi) Diseño alternativo en acero estructural. - El acero estructural - La nomenclatura de analisis -Uso del metodo MEF y -Uso de programas especificas

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar y otros), para ello se desarrollará un modelo que tenga en cuenta los efectos descritos en el planteamiento del problema y que supere las deficiencias del modelo existente; y método ya citada sirva de soporte para la aplicación de software específico en ingeniería estructural (ETABS), en otras palabras es aquel que de lo general ya a lo particular y de ahí desarrollar conclusiones que van a fortalecer la hipótesis planteada ya sea positiva o negativamente. Pasos para desarrollar dicho metodología son los siguientes: 1. Revisión del expediente técnico de la obra en mención ya construida, que cuenta con su respectivo estudio de suelo, ingeniería o memoria de cálculo y planos en sus detalles y especificaciones técnicas del palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar. 2. Elaboración un modelo para el análisis estático, dinámico y de estabilidad (análisis sismo-resistente), de un sistema estructural pórtico dúctil en acero estructural y el modelo existente estructura aporticada en concreto armado, para ello se emplearán métodos de elementos finitos y un software específico para cada caso. 3. Comparación de resultados obtenidos con el empleo de ambos modelos. 4. Interpretación de resultados y comparación con las normas NTE: E-020, E-030, E-060 y E-090. 5. Decisiones, aportes y modificaciones a partir de los resultados obtenidos, y procedimientos constructivos a adoptar con los que será justificado la hipótesis planteada.

6.2.- TIPO DE ESTUDIO: El trabajo tiene en parte un carácter descriptivo-explicativo, de las teorías por medio de método de elementos finitos y/o modelos matemáticos frente al tipo de diseño del objeto en estudio.

“la infraestructura aporticada existente y el diseño alternativo en acero estructural del palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar” caracterizándose de una forma determinística, sistema aporticada divida por juntas sísmicas a tres bloques cada uno con características propias.

6.4.- EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR A. Materiales de gabinete 

Computadora e impresora

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6.3.- UNIDAD DE ANALISIS: Denominado también estudio del caso en donde tenemos

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar 

Memoria USB

B. Materiales de escritorio. 

Material de impresión



Papel Bond tamaño A-4



Libros o textos de consulta



Tesis de temas relacionado con problema planteada



Escritorio y accesorios

C. Software Utilizados

VII.



Software ETABS v:9.7.2



AutoCAD 2012.

PRESUPUESTO:

DESCRIPCION CANTIDAD Materiales y Equipos: a.- Equipo de computo 1.00 b.- impresora y camara digital 1.00 Muebles y Enseres: a.- Escritorios 1.00 b.- Materiales de escritorio N.D. c.- Impresiones y empastes N.D. d.- tesis y textos de consulta N.D. Servicios y Recursos Humanos: a.- Capacitaciones N.D. b.- veaticos y otros N.D. TOTAL DE PRESUPUESTO

P.U. ($) 2000 600 300 500 800 500 500 800

SUBTOTAL ($) TOTAL ($) S/. 2600.00 2000 600 S/. 2100.00 300 500 800 500 S/. 1300.00 500 800 S/. 6000.00

VIII. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES:

MES 01 (J) 15 dias

15 dias

Formulacion del problema, fines y objetivos. Elaboracion del perfil de tesis. Presentacion y aprobacion de perfil de tesis. Estudios basicos y recopilacion de informacion Elaboracion del proyecto Resultados y conclusiones Redaccion del borrador de tesis Levantamiento de observaciones Redaccion final de tesis Sustentacion y Empastado final

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MES 02 (A) 15 dias

15 dias

MES 03 (S) 15 dias

15 dias

MES 04 (O) 15 dias

15 dias

MES 05 (N) 15 dias

15 dias

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ACTIVIDAD

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar

IX.

BIBLIOGRAFIA:

10.1.- TEXTOS: 1. Reglamento Nacional de edificaciones RNE: (E-020. E-030, E-060 y E-090), Editorial Megabyte, Perú - 2011. 2. Juan Tomás Celigüeta, primera edición “Análisis estructural” San Sebastián, mayo de 1998. 3. Russell C. Hibbeler, tercera edición “Análisis Estructural” New York 4. Jairo Uribe Escamilla, primera edición “Análisis de Estructuras” Bogotá-Colombia 1991. 5. Ing. Luis F. ZAPATA BAGLIETTO, segunda edición Noviembre 2004 “Diseño Estructural en Acero” editorial UNI. 6. William T. SEGUI, segunda edición “Diseño de Estructuras de Acero con LRFD” Universidad de Memphis, editores (Pedro de la Garza Rosales) 7. Theodore V. Galambos, F. J. Lin, Bruce G. Johnston y Traducción por Ing. José de

production: bookworks. 8. Víctor Escalante Cervera, Santo Domingo R.D., Marzo 2003 “Diseño de Estructuras Metálicas” …

10.2.- TESIS Y ARTICULOS: 1. Danny JimYong Ayon, tesis doctoral titulado “Diseño de Elementos Estructurales de Acero Sometidos a Flexo-Compresión: Desarrollo Teórico y Estudio Estudiante: Cristóbal JIMENEZ MUCHO

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la Cera A. México 1999 “Diseño de Estructuras de Acero con LRFD” editorial

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar Comparativo” San Sebastián, Abril 2007 de la Universidad la Navarra (escuela superior de Ingenieros). 2. D. Jesús Antonio López Paredes, tesis doctoral titulado “Modelo de elementos finitos para el cálculo de arcos, validación en estructuras agroindustriales de acero” La Mancha, Noviembre 2003. 3. Claudio E. Troncoso Paredes, tesis titulado “Análisis de Jaula Circular de HDPE Mediante el Método de Elementos Finitos” Valdivia, Chile 2006. Universidad Austral de Chile (Escuela profesional de Ingeniería Naval). 4. Dr. Jorge Eduardo Hurtado, “Introducción al Análisis Estructural por Elementos Finitos” Colombia, Universidad nacional de Colombia sede Manizales. 5. Álvaro F. M. Azevedo, “Método de Elementos Finitos” Portugal, Abril 2003.

TEMARIO TENTATIVO DEL PROYECTO DE TESIS:

DEDICATORIA RESUMEN INDICE CAPITULO I: GENERALIDADES: A. INTRODUCCION B. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA C. OBJETIVOS D. HIPÓTESIS E. JUSTIFICACION F. ESTRUCTURACION

CAPITULO II: MARCO TEORICO - CONCEPTUAL: A. DISEÑO PRELIMINAR O PREDIMENSIONAMIENTO a. Elementos de apoyo (zapatas) b. Columnas c. Vigas o trabes d. Losa e. Escaleras B. METRADO DE CARGAS Estudiante: Cristóbal JIMENEZ MUCHO

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G. REGLAMENTOS A APLICAR

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar a. Elementos de apoyo (zapatas) b. Columnas c. Vigas d. Losa e. Escaleras C. ANALISIS ESTRUCTURAL - SISMICO a. Parámetros de análisis b. Análisis estático c. Análisis dinámico - sísmico (dinámico-espectral) f. Junta de separación sísmica D. DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES EN ACERO a. Diseño de elementos a tensión b. Diseño de elementos a compresión c. Diseño de elementos a flexión d. Diseño de elementos a flexo-compresión e. Diseño de Conexiones CAPITULO III: EVALUACION ESTRUCTURAL DE LA INFRAESTRUCTURA EXISTENTE: Análisis estructural de diseño en concreto armado del palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar: A. Conceptualización B. Estructuración C. Análisis Estructural D. Interpretación

CAPITULO IV: PLANTEAMIENTO ESTRUCTURAL: Planteamiento de análisis y diseño alternativo en acero estructural para el palacio municipal de distrito de Santa Rosa-Melgar: A. Estructuración y conceptualización B. diseño preliminar (pre-dimensionamiento) C. Metrado de cargas de gravedad, viento y sismo D. Análisis estructural e interpretación a) Análisis estático Estudiante: Cristóbal JIMENEZ MUCHO

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E. Opiniones y recomendaciones

Análisis y diseño alternativo en acero estructural del Palacio municipal de distrito de Santa Rosa - Melgar b) Análisis dinámico c) Análisis de estabilidad d) Control de desplazamientos laterales y relativo de entrepiso E. Diseño de elementos estructurales. a) Diseño de elementos estructurales a flexión b) Diseño de elementos estructurales a compresión c) Diseño de elementos estructurales a flexo-compresión d) Diseño de conexiones o uniones F. Detallado y dibujo de planos con sus respectivas especificaciones técnicas CAPITULO V: ANALISIS COMPARATIVO DEL DISEÑO EN ACERO ESTRUCTURAL Y CONCRETO ARMADO EXISTENTE: A. Definición de paramentos estructurales (funcionalidad y seguridad) B. Elaboración de cuadros comparativos de funcionabilidad estructural C. Elaboración de cuadros comparativos de seguridad estructural D. Alcances de ambas sistemas estructurales E. Aportes del uno al otro (concreto armado v/s acero estructural) CAPITULO VI: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: A. Conclusiones B. Recomendaciones C. Líneas de investigaciones a realizar BIBLIOGRAFIAS: 

Expediente Técnico original hecha en concreto armado



Planos en concreto armado



Planos concluidos del proyecto de investigación en diseño de aceros

LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABLAS

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ANEXOS: