UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE NICARAGUAUNAN-MANAGUARECINTO UNIVERSITARIO RUBEN DARIOFACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIASDEPARTAMENTO DE CONSTRUCCION

PROYECTO DE ESTRUCTURAS DE ACERO.

Tema: Diseo de una estructura metlica de dos niveles usando las normas LRFD.

Docente: Dr. Ing. Edwin Obando

Elaborado por: Lester Manuel Lpez Lpez.# de carnet: 10-04379-1 Denis Noel Sandoval Rostran. # de carnet: 11-04502-3 Kerlyn Lilibel Orozco Lanzas# de carnet: 10-03199-9

Carrera: Ingeniera Civil (V ao)

Fecha de entrega: Viernes 10 de julio de 2015.

Contenido1.INTRODUCCION32.OBJETIVOS42.1OBJETIVO GENERAL42.2OBJETIVOS ESPECIFICOS43.DESARROLLO53.1CALCULO DE CARGAS PARA LA ESTRUCTURA53.1.1CARGA MUERTA53.1.2CARGA VIVA113.1.3CARGA POR SISMO123.2COMBINACIONES DE CARGA APLICADAS A LA ESTRUCTURA143.3CRITERIOS PARA DEFINIR LA UBICACION DE COLUMNAS, VIGAS Y TRABES ESTRUCTURALES143.4MODELACION DE LA ESTRUCTURA EN SAP 2000163.5 VERIFICACION DE LOS RESULTADOS DE SAP 2000213.5.1 VERIFICACION DE COLUMNAS213.5.2 VERIFICACION DE VIGAS283.6DISEO DE PLACA BASE324.REFERENCIAS35

1. INTRODUCCIONEn el presente trabajo se diseara una estructura metlica de dos niveles usando las normas del Manual of Steel Construction Load and Resistance Factor Design (LRFD), est situada en la Ciudad de Estel y esta desplantada sobre un suelo moderadamente blando, clasificado como suelo Tipo III segn el Reglamento Nacional de la Construccin.Para realizar el anlisis de la estructura se definir la posicin en que van a colocarse las columnas, vigas y trabes respetando el diseo de los planos arquitectnicos de la estructura. Despus de distribuir los elementos, se har uso del programa SAP2000 para simular la estructura.El anlisis de la estructura ser realizado en tres dimensiones, se usara el Mtodo Esttico Equivalente para calcular las fuerzas laterales del edificio en base a los parmetros del Reglamento Nacional de la Construccin (RNC-07) vigente en Nicaragua, las cargas vivas y muertas tambin sern calculadas a partir de los parmetros que posea dicho reglamento.Una vez simulada la estructura con sus respectivas cargas en el programa, se incluirn combinaciones de carga segn el RNC-07, el reglamento posee 6 combinaciones en total pero en este anlisis solo se tomaran 2 de ellas, debido a que la estructura se est analizando con carga muerta, carga viva y fuerza de sismo. Para realizar la idealizacin de la estructura se seleccionara el marco ms crtico, y se calcularan las reacciones en los apoyos, los momentos cortantes y las cargas axiales. Una vez obtenidas las fuerzas internas se disearan las vigas, columnas y placas bases. El perfil asignado a cada uno de los elementos estructurales ser verificado manualmente con el propsito de comprobar la resistencia de cada elemento y que su eficiencia de trabajo este entre un 90 y 100%.

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Disear los elementos estructurales del marco crtico de un edificio de dos niveles usando las normas LRFD.

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

Identificar el marco ms crtico de la estructura. Usar el mtodo esttico equivalente para el clculo de las cargas laterales de la estructura segn el Reglamento Nacional de la construccin. Calcular las fuerzas internas de la estructura segn las combinaciones de cargas seleccionadas. Proponer las secciones estructurales ms ligeras para un diseo econmico. Verificar el diseo de los elementos estructurales respecto a los resultados de SAP2000.

3. DESARROLLO

3.1 CALCULO DE CARGAS PARA LA ESTRUCTURA

3.1.1 CARGA MUERTA Para calcular las cargas muertas de la estructura se usara como cargas mnimas los pesos de los materiales listados en el RNC-07, los pesos que no se encuentran en este reglamento sern asumidos segn el material que este reflejado en los planos arquitectnicos. Para este edificio se usaron los siguientes valores de cargas muertas:

Cargas muertas mnimas (CM)

Destino Carga muerta (Kg/m)

Bloque de cemento de 20"x20"x40" Mampostera reforzada300

Lamina troquelada con estructura de perlines6

Ventanas de vidrio con estructura de aluminio35

Tabla 1: Cargas muertas mnimas en Kg/mFuente: Reglamento Nacional de la construccin, Anexo A.

Cargas muertas mnimas (CM)

DestinoCarga muerta

Puerta de madera, carpintera clsica25 (Kg/m)

Lavamanos14.2 Kg/unidad

Inodoros16.67 Kg/unidad

Baera130 Kg/unidad

Tabla 2. Cargas muertasFuente: Consejo superior de arquitectos, entidad colaboradora (AITIM)

CARGA MUERTA PARA LA PLANTA ALTA

Peso de las paredes de concreto.Calculo del Eje J.Pared W1.

Calculo del Eje I.Pared W1.

Calculo del Eje 1.Pared W1.

Calculo del Eje 2.Pared W2.

Tabla 3. Calculo de carga muerta de las paredes de mampostera.Fuente: Elaboracin propia.

Tabla 4. Calculo de carga muerta de las paredes de mampostera.Fuente: Elaboracin propia.

Peso de las ventanas

Peso de las puertasCantidad de puertas: 11Dimensiones: 0.9mx2.3mrea: 2.07 m

Peso de lava manos

Peso de inodoros

Peso de la baera

Losa de entrepiso

CARGA MUERTA DEL TECHO

3.1.2 CARGA VIVA Los valores de las cargas vivas para este proyecto fueron obtenidos del Reglamento Nacional de la Construccin (RNC-07).CARGA VIVA EN LA PLANTA ALTAEn la tabla siguiente se mostraran los valores de carga viva en Kg/m2 correspondientes a las fuerzas que se producen por el uso y ocupacin de cada rea de la edificacin.Cargas vivas unitarias mnimas (CV)

DestinoCarga viva (Kg/m)Nota

Habitaciones200

Escaleras y pasillos500(1)

Tabla 5: Cargas vivas unitarias mnimasFuente: Reglamento Nacional de la Construccin, Articulo 10

Nota 1: Para el diseo de pretiles de cubiertas, azoteas y barandales para escaleras, rampas, pasillos y balcones, se tomar en cuenta lo estipulado en el inciso b del artculo 10 del RNC-07.

Inciso b: Casos especiales

En este inciso del RNC-07 se seleccion el caso que corresponde al tipo de edificacin que se est diseando, el cual corresponde al caso 3.

Caso 3: Las barandas y parapetos en viviendas unifamiliares, se disearn para una fuerza horizontal y una vertical de 30 kg/m ambas aplicadas en su parte superior.

CARGA VIVA EN TECHOPara considerar este tipo de carga se us el inciso a del artculo 11 del RNC-07, el cual define lo siguiente:

Techos livianos: Para el caso de techos livianos de cubiertas onduladas (incluyendo la teja de barro), los elementos estructurales resistentes (tales como cuartones de madera o perlines metlicos), podrn ser diseados para los efectos que resulten de la superposicin de una carga concentrada de 100 Kg en la mitad del claro del miembro resistente, ms una carga uniformemente distribuida de 10 Kg/ m.

Para efecto de sismo, la carga viva reducida a emplearse ser de 10 Kg/m.

3.1.3 CARGA POR SISMOEl anlisis de la estructura ser realizado a travs del mtodo esttico equivalente que se establece en el RNC-07. De acuerdo a este mtodo, la fuerza lateral que acta en el i-simo nivel se calcula de la siguiente manera:

Donde:Wi: Peso de la i-sima masa.hi: Altura de la i-sima masa sobre el desplante.c: Coeficiente ssmico definido en el Articulo 24 del RNC-07

El coeficiente ssmico se calcula con la siguiente ecuacin:

Pero este coeficiente nunca deber ser menor que el producto de

Donde:

S: Factor de amplificacin por tipo de sueloa0: Aceleracin mxima del terrenoQ: Factor de reduccin por comportamiento dctil de una estructura: Factor de reduccin por sobreresistencia.

Valor S

Est en funcin de la zona ssmica y las caractersticas del terreno. La estructura se encuentra ubicada en el departamento de Estel perteneciente a la Zona B y esta desplantada en un suelo moderadamente blando, el cual se clasifica como Tipo de suelo III, para determinar el valor S se hace uso de la siguiente tabla.

Tipo de suelo

Zona SsmicaIIIIII

A11.82.4

B11.72.2

C11.52.0

Tabla 6: Factor de amplificacin por tipo de sueloFuente: Reglamento Nacional de la Construccin, Articulo 25

Valor a0

Este valor est en funcin de la zona ssmica, para la Zona B es de 0.2

Valor Q

Este valor se selecciona en funcin de las caractersticas de la estructura, empleando el artculo 21 del RNC-07, al realizar el anlisis correspondiente de este artculo se seleccion un valor de 4.

Valor

La reduccin por sobrerresistencia est dada por el factor =2

CALCULO DE COEFICIENTE SISMICO

Pero como:

Y el coeficiente ssmico c nunca debe ser menor que , por tanto se tomara el resultado de como coeficiente ssmico.

CALCULO DE FUERZA SISMICA

PARA TECHO

PARA ENTREPISO

3.2 COMBINACIONES DE CARGA APLICADAS A LA ESTRUCTURA

El RNC-07 determina las siguientes combinaciones de carga para aplicarlas en el diseo de estructuras verticales:

De estas combinaciones se usaran la nmero 2 y la nmero 4, debido a que las cargas disponibles para analizar la estructura solo son muertas, vivas y de sismo.

3.3 CRITERIOS PARA DEFINIR LA UBICACION DE COLUMNAS, VIGAS Y TRABES ESTRUCTURALES

COLUMNASLas columnas se ubicaron respetando las disposiciones de los planos arquitectnicos, sin modificar la posicin de particiones, ventanas o ejes de las plantas arquitectnicas. Se distribuyeron 23 columnas en la planta de abajo y 20 columnas en la planta baja. Con alturas de 3.2 metros y 2.74 metros respectivamente, algunas de las columnas de la segunda planta se anclaron directamente sobre las vigas con el propsito de obedecer a lo impuesto por el diseador.

VIGAS Y TRABESLos elementos de vigas y trabes se distribuyeron respetando la arquitectura del edificio, en el caso de vigas se tomaron los claros ms adecuados para que la estructura sea econmica. Esta consideracin se logr haciendo que los claros ms largos de vigas se convertiran en trabes soldados a las vigas transversales. Tales criterios ayudaron a definir las reas tributarias respectivas para cada elemento.En la siguiente imagen se representa la ubicacin de las columnas de la planta baja, al igual que se observan las vigas y trabes de entrepiso.

Imagen 1: Distribucin de columnas en planta baja, vigas y trabes de entrepisoFuente: Plano arquitectnico, criterio propio para la distribucin de columnas

3.4 MODELACION DE LA ESTRUCTURA EN SAP 2000

Una vez definido la ubicacin de las columnas, vigas y trabes en la estructura, se modelo el edificio en SAP 2000, se le asign al programa una autolista de perfiles W para los elementos estructurales, para vigas se aplicaron desde W4x13 hasta W12x103 y en las columnas desde el perfil W8x10 hasta W36x135. La estructura se observa de la siguiente manera:

Imagen 2: Isomtrico de la estructuraFuente: Elaboracin propia en SAP 2000

Posteriormente se le asignaron las cargas muertas, vivas y de sismo, as como tambin las dos combinaciones de cargas con las que se analizara la estructura. Una vez asignadas dichos parmetros se ejecut el programa para obtener las reacciones, momentos y fuerzas axiales. A partir de los resultados del programa y del anlisis propio que se realiz en cada marco de la estructura, se seleccion el marco ms crtico, el cual se muestra en la siguiente figura:

Imagen 3: Marco crtico de la estructuraFuente: Elaboracin y criterio propio, SAP 2000

Con el marco critico seleccionado, se hizo un nuevo archivo en SAP 2000 en 2 dimensiones. Para analizar la estructura de 2D se tuvo que cambiar las unidades de las cargas con las que se haba analizado la estructura completa en 3D, en este caso se convirti de Kg/m a Kg/m. Esta conversin se realiz en el programa de Excel para obtener datos ms precisos y rpidos de la siguiente manera:CARGA MUERTA PARA ENTREPISO

rea tributaria, AT (m)Longitud de la viga (m)Peso (Kg)Carga muerta (Kg/m)

Viga 15.233.7072736.629738.233

Viga 20.741.220387.209317.385

Viga 35.533.8302893.606755.511

Viga 42.893.6971512.210409.037

Tabla 7: Carga muerta del entrepiso para el marco crticoFuente: Elaboracin propia

CARGA MUERTA PARA TECHO

rea tributaria, AT (m)Longitud de la viga (m)Peso (Kg)Carga muerta (Kg/m)

Viga 13.93.70733.3849.006

Viga 20.741.2206.3345.192

Viga 37.343.83062.83016.405

Viga 43.543.69730.3028.196

Tabla 8: Carga muerta de techo para el marco crticoFuente: Elaboracin propia

CARGA VIVA PARA ENTREPISO

Carga viva (Kg/m)rea tributaria, AT (m)Longitud de la viga (m)Peso (Kg)Carga viva (Kg/m)Carga viva total (Kg/m)

Viga 15005.233.7072615705.422705.422

Viga 25000.741.220370303.279303.279

Viga 32003.673.830734191.645434.465

5001.863.830930242.820

Viga 42000.763.69715241.114329.186

5002.133.6971065288.071

Tabla 9: Carga viva de entrepiso para el marco crticoFuente: Elaboracin propia

CARGA VIVA PARA TECHO

rea tributaria, AT (m)Longitud de la viga (m)Peso (Kg)Carga viva (Kg/m)

Viga 13.93.70739.0010.521

Viga 20.741.2207.406.066

Viga 37.343.83073.4019.164

Viga 43.543.69735.409.575

Tabla 10: Carga viva de techo para el marco crticoFuente: Elaboracin propiaPosteriormente se carg el marco crtico con las cargas que se calcularon anteriormente, en lo que respecta a las secciones se tomaron como primera propuesta los resultados del anlisis en 3D, y luego se itero hasta obtener los siguientes resultados:

Imagen 4: Marco crtico y sus reacciones, combinacin de carga 1.2CM+FS+CVFuente: Elaboracin propia en SAP 2000

Imagen 5: Marco crtico con sus secciones de diseoFuente: Elaboracin propia en SAP 2000

3.5 VERIFICACION DE LOS RESULTADOS DE SAP 2000

3.5.1 VERIFICACION DE COLUMNAS

Diseo de columnas de la planta bajaTabla 11. Diseo de la columna 12-C con un perfil W8x15Fuente: Elaboracin propia.

Tabla 12. Diseo de la columna 10-C con un perfil W8x21Fuente: Elaboracin propia.

Tabla 13. Diseo de la columna 9-C con un perfil W8x21Fuente: Elaboracin propia.

Tabla 14. Diseo de la columna 8-C con un perfil W8x18Fuente: Elaboracin propia.

Tabla 15. Diseo de la columna 4-C con un perfil W8x15Fuente: Elaboracin propia.

Diseo de columnas de la planta alta.Tabla 16. Diseo de la columna 12-C con un perfil W5x16Fuente: Elaboracin propia.

Tabla 17. Diseo de la columna 10-C con un perfil W5x16Fuente: Elaboracin propia.

3.5.2 VERIFICACION DE VIGAS

Viga de techo.

Tabla 18. Diseo de la viga de techo 1 con un perfil W4x13Fuente: Elaboracin propia.

Tabla 19. Diseo de la viga de techo 2 con un perfil W4x13Fuente: Elaboracin propia.

Tabla 20. Diseo de la viga de techo 3 con un perfil W4x13Fuente: Elaboracin propia.

Tabla 21. Diseo de la viga de techo 4 con un perfil W4x13Fuente: Elaboracin propia.

Vigas de entrepiso.

Tabla 22. Diseo de la viga de entrepiso 1 con un perfil W5x16Fuente: Elaboracin propia.

Tabla 23. Diseo de la viga de entrepiso 2 con un perfil W5x19Fuente: Elaboracin propia.

Tabla 24. Diseo de la viga de entrepiso 3 con un perfil W5x16Fuente: Elaboracin propia.

Tabla 25. Diseo de la viga de entrepiso 4 con un perfil W5x16Fuente: Elaboracin propia.

3.6 DISEO DE PLACA BASEDiseo de placa base.

Tabla 26. Diseo de placa base para la columna 12-CFuente: Elaboracin propia

Tabla 27. Diseo de placa base para la columna 10-CFuente: Elaboracin propia

Tabla 28. Diseo de placa base para la columna 10-CFuente: Elaboracin propia

4. REFERENCIAS

Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI). (2007). Reglamento Nacional de la Construccion. Managua: Direccion General de Normas de Construccion y Desarrollo Urbano

Consejo superior de arquitectos, Entidad colaboradora (AITIM). (2013).

American Institute of Steel Construction, I. (1994). Manual of Steel Construction Load and Resistance Factor Design (LRFD). Estados Unidos de America.