Taller de Diseño en Concreto Armado

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

SESIONES 02 y 03: Análisis Sísmico Estático y Dinámico de un edificio de Concreto Armado de 10 Pisos con los programas ETABS y SAFE En la Figura siguiente se muestra la planta arquitectónica típica de un edificio de oficinas de 10 niveles.

Figura 1 – Planta Arquitectónica del Piso Típico

El edificio cuenta con las siguientes características: -

Placas de concreto armado de 25 cm de espesor. Concreto en columnas, vigas, losas y placas: f’c = 210 kg/cm2. Losas aligeradas armadas en una dirección, de 17 cm y losas macizas armadas en dos direcciones de 15 cm de espesor. Parapetos de concreto de 1.2 m de altura y 0.10 m de espesor. Altura de piso a piso = 2.65 m. Ubicado en la costa, suelo flexible, destinado a oficinas. Vigas de sección rectangular de 25 x 50 cm. 2 escaleras y 1 ascensor.

En la siguiente Figura se muestra el esquema estructural de acuerdo con las columnas y placas de concreto armado propuestas.

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 1

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

Figura 2 – Esquema estructural de planta

Las cargas a considerar para el edificio son: Carga -

Muerta: Losa aligerada, h = 0.17 m. 280 kg/m2. Losa maciza, h = 0.15 m. 360 kg/m2. Piso terminado. 100 kg/m2.

Carga Viva: - Piso Típico. - Azotea.

300 kg/m2. 100 kg/m2.

Realizar el análisis y diseño estructural de acuerdo con los lineamientos de la Norma de Diseño Sismorresistente NTE.E030.

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 2

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 3

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería MODELAMIENTO EN ETABS Edición de Líneas Guía File ~ New Model ~ Use Settings from a Model File… Seleccionar un archivo *EDB que contenga props. Secc., espectros, etc.

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 4

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería En el recuadro anterior se deben ingresar las coordenadas de las líneas guía para el modelo. Estas líneas guía corresponden a los ejes de muros y el inicio y el final de los muros. X Grid Data 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0

1

6 7

0.000 1.200 7.575 10.050 11.375 12.725 15.525 16.675 17.825

Primary Primary Primary Primary Primary Primary Primary Primary Primary

Show Show Show Show Show Show Show Show Show

Top Top Top Top Top Top Top Top Top

8

19.150

Primary

Show

Top

9

21.825

Primary

Show

Top

28.500

Primary

Show

Top

10 Y Grid Data

29.700

Primary

Show

Top

A

0.000 2.250 3.725 5.100 6.300 8.025 8.600 11.175 12.650

Primary Primary Primary Primary Primary Primary Primary Primary Primary

Show Show Show Show Show Show Show Show Show

Left Left Left Left Left Left Left Left Left

14.900

Primary

Show

Left

2 3 4 5

B

C D

E

También hay que proporcionar la información de pisos (Story) con el comando Edit ~ Edit Story Data ~ Edit Story… tal como se muestra en la figura siguiente.

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 5

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 6

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

Definición de Características de los Materiales Define ~ Material Properties...

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 7

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

Definición de las Propiedades Geométricas de las Secciones de Barras Define ~ Section Properties ~ Frame Sections...

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 8

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería Definición de las Propiedades Geométricas de las Secciones de Placas y de Losas Define ~ Section Properties ~ Wall Sections

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 9

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería Define ~ Section Properties ~ Slab Sections

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 10

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

Modelo de Análisis – Dibujando los Muros. En una vista de planta del primer piso se procederá a dibujar los muros mediante la herramienta:

Draw ~ Draw Floor/Wall Objects... ~ Draw Walls (Plan)...

Figura 3 – Vista en planta del modelo estructural (solo muros)

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 11

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

Modelo de Análisis – Dibujando las Vigas y Columnas. En una vista de planta del primer piso se procederá a dibujar las vigas mediante la herramienta: Draw ~Draw Beam/Column/Brace Objects...~Draw Beam… (Plan,Elev,3D)... En una vista de planta del primer piso se procederá a dibujar las columnas mediante la herramienta: Draw ~Draw Beam/Column/Brace Objects...~Quick Draw Columns… (Plan,3D)...

Figura 4 – Vista en planta del modelo estructural (vigas)

Asignación de brazos rígidos en vigas Select ~ By Object Type... ~ Beam Assign ~ Frame/Line ~ End (Length) Offset...

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 12

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 13

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería Modelo de Análisis – Dibujando las Losas. En una vista de planta del primer piso se procederá a dibujar las losas mediante las herramientas: Draw ~ Draw Floor/Wall Objects...~Draw Rectangular Floor/Wall (Plan, Elev).. Draw ~ Draw Floor/Wall Objects...~Draw Floor/Wall (Plan, Elev, 3D)..

Figura 5 – Vista en planta del modelo estructural (losas)

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 14

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

Edición del Modelo Replicando el primer piso ya modelado, se puede completar los siguientes niveles: Select ~ Select All... Edit ~ Replicate...

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 15

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería Figura 6 – Vista en planta (izquierda) y 3d (derecha) del modelo estructural

Definición de las Cargas a Aplicar al Modelo Cargas de Gravedad Define ~ Load Patterns...

Para poder seleccionar las losas (de manera aislada) a las que se les aplicará las cargas de gravedad. Se recomienda el comando de visualización que permite ocultar algunos elementos estructurales: View ~ Set Display Options...

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 16

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 17

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería Aplicación de las cargas de gravedad Assign ~ Shell Loads ~ Uniform...

En la losa maciza

En losas tipicas

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 18

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

En la azotea:

Figura 7 – Asignación de cargas en losas del piso típico: carga muerta (izquierda) y carga viva (derecha)

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 19

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

Figura 8 – Asignación de cargas en losas de la azotea: carga muerta (izquierda) y viva (derecha)

Cargas en tabiques y parapetos Assign ~ Frame Loads ~ Distributed...

Mediante esta herramienta se asignan las cargas correspondientes a los parapetos (CM = 288 kgf/m)

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 20

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

Figura 9 – Asignación de cargas en vigas del piso típico: parapetos.

Edición del Modelo Se procederá a identificar cada muro como una pila (Pier Label) de manera de tener las fuerzas internas de estos elementos. Para poder seleccionar muros en todos los niveles, se empleará: View ~ Set Display Options...

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 21

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 22

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería En una vista en planta y con el modo de edición en “All Stories” se seleccionarán los muros a los que se les asignarán los nombres de pila (pier label). Assign ~ Shell/Area ~ Pier Label...

Figura 10 – Asignación de nombres de pila (Pier Label) a los muros

Por simetría se han colocado nombres de pila similares (A y B) a elementos simétricos. Asignación de diafragmas de entrepisos Assign ~ Shell ~ Diaphragms...

Figura 12 – Asignación de diafragmas rígidos M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 23

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

Definición de Masas Se procederá a indicar a partir de qué cargas se calculará la masa para los procedimientos de análisis de cargas sísmicas. Define ~ Mass Source...

Analyze ~ Set Active Degrees of Freedom...

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 24

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería Análisis Dinámico Definición del Espectro de Pseudoaceleración A partir de las indicaciones de la Norma Peruana, se define el espectro: Parámetros Generales Factor de zona, Z : 0,4 (Costa Peruana) Factor de Suelo, S : 1.40; Tp = 0,90 seg. Factor de Importancia, U : 1,00 (Edificación Común) Factores de Reducción, R : RX = ¾ (6) = 4,50 (placas de concreto armado *) RY = ¾ (6) = 4,50 (placas de concreto armado *) Coeficiente sísmico, C : 2,50; para períodos menores a Tp : 2,50 x (Tp/T) para períodos mayores a Tp (* Considerado como una estructura irregular) Define ~ Response Spectrum Functions...

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 25

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería Define ~ Load Cases... Add New Case Load Case Type = “Response Spectrum”

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 26

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

Combinaciones de Cargas Definición de las Combinaciones de Cargas A partir de las cargas aplicadas se definieron las siguientes combinaciones de diseño: Define ~ Load Combinations...

CU1

=

1,4 CM + 1,7 CV

CU2x =

1,25 CM + 1,25 CV + (FEXX) .CSx

CU2y =

1,25 CM + 1,25 CV + (FEYY).CSy

CU3x =

0,90 CM + (FEXX) CSx.

CU3y =

0,90 CM + (FEYY).CSy

NOTA: de acuerdo con la comparación entre el análisis estático y dinámico se determinará el factor de escala por el que hay que multiplicar los casos de carga sísmica (CSx y CSy)

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 27

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 28

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería División (interna) de todos los muros Para una mejor predicción de los esfuerzos se recomienda dividir internamente todos los muros (Object Wall) con elementos finitos rectangulares de lados no mayores a 1m. En los pisos no es necesaria hacer esta división. Select ~ Select ~ Object Type ~ Walls... Assign ~ Shell ~ Wall Auto Mesh Options ...

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 29

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería Proceso Constructivo Para definir la secuencia constructiva se deberá emplear: Define ~ Add Construction Sequence Case...

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 30

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería Manejo de Resultados Los resultados del análisis del edificio se pueden visualizar en pantalla o mostrarlos en hojas de cálculo. Desplazamientos de los Centros de Masa Se recomienda cambiar temporalmente las unidades a ton-cm Display ~ Show Tables...

~ Export To Excel... Los resultados de los desplazamientos se copian a una hoja de excel y se editan para verificar los desplazamientos permitidos por la norma. Cortante Basal en el Edificio Los resultados de cortante basal para los casos de carga dinámica para el edificio son: Display ~ Show Tables...

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 31

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

Fuerzas Internas en las Placas Para obtener las fuerzas internas en las placas se seleccionan estos elementos: Select ~ Label ~ Pier Label... Se escogen las pilas que se van a diseñar:

Display ~ Show Tables...

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 32

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

Los resultados de fuerzas internas de las placas se copian a una hoja de excel y se editan para realizar los procedimientos de diseño.

Verificación del Cortante Basal Primero se obtienen las masas en cada piso del edificio para calcular el cortante basal estático: Display show tables ~ Model ~ Structure Data Mass Summary ~ Mass Summary By Story Las masas del edificio se copian a un archivo de Excel para poder estimar El cortante basal estático. Por ejemplo, si el cortante en la base para ambas direcciones se ha estimado en: Vest = 755.25 ton. Como la estructura es irregular, el Vdín debe ser mayor o igual al 90 % del cortante estático. 90 % Vest = 679.73 ton. Los cortantes dinámicos en el primer piso son: VdinXX = 556.79 ton VdinYY = 593.77 ton Por lo que los factores de escala que se deben emplear son: F.E. XX = 1.22 F.E. YY = 1.14

Diseño y Detallado de Elementos Estructurales Design ~ Concrete Frame Design ~ View/Revise Preferences

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 33

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería

Design ~ Concrete Frame Design ~ Select Design Combinations

Design ~ Concrete Frame Design ~ Start Design/Check

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 34

Diplomado en Cálculo y Diseño Estructural aplicado a edificios de Concreto y Albañilería Design ~ Shear Wall Design ~ View/Revise Preferences

Design ~ Shear Wall Design ~ Select Design Combinations

Design ~ Shear Wall Design ~ Start Design/Check

M.I. José Velásquez ([email protected]) Página 35