DISEÑO DE UN EDIFICIO DE SECCION COMPUESTA, DE 22 NIVELES Y 7 SOTANOS, DESTINADO A DEPARTAMENTOS, USO COMERCIAL Y ESTACIONAMIENTO

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1 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural DISEÑO DE UN EDIFICIO DE SECCION COMPUESTA, DE 22 NIVELES Y 7 SOTANOS, DESTINADO A DEPARTAMENTOS, USO COMERCIAL Y ESTACIONAMIENTO Alfredo Carlos Arroyo Vega 1, Raúl David Granados Granados 2 y Héctor Geovani Elizarrarás Esquivel 3 RESUMEN Se presenta el análisis y diseño de un edificio de acero esbelto en la Zona de Lago de la ciudad de México que presentaba desplazamientos laterales importantes, lo que condujo a rigidizarlo por medio de columnas de sección compuesta. El edificio cuenta con siete niveles de sótano y otros veintidós sobre el nivel de banqueta. Se describe la metodología del análisis y del diseño estructural. ABSTRACT This paper concerns with a slender steel building located in Mexico City in Lake Zone, which showed important sway and had to be stiffened trough composite section columns. The building has seven floors in basement and twenty two more floors above ground. The methodology for structural analysis and design is described also. INTRODUCCIÓN Se trata de un edificio esbelto, ubicado en Av. Paseo de la Reforma, en la ciudad de México (ver figura 1); las dimensiones del predio en planta son de m de ancho, por m de largo y 67 m de altura, con alturas promedio de entrepiso del orden de 3 m, los primeros cinco pisos a partir del nivel de calle son utilizados para uso comercial con dobles alturas, por estas características, el problema a resolver, fue limitar el desplazamiento transversal del edificio menor al especificado por el Reglamento de Construcciones del D.F. La superestructura se resolvió con marcos ortogonales en sentido de mayor esbeltez, formados por columnas de sección compuesta hasta el nivel 11 y columnas de acero en forma de I en los siguientes niveles, losas de lámina de acero con concreto, vigas de acero y contraventeos en las fachadas laterales longitudinales y en los núcleos centrales de escaleras y elevadores (ver figura 2). Se ubica en la zona sísmica IIIa (lago) de la ciudad de México cuyas características del suelo y las descargas de la superestructura, la cimentación del edificio fue resuelta con muros Milán desplantados a 26 m y otros a 24 m de profundidad, cuyo procedimiento constructivo es complicado debido al pequeño espacio para las maniobras de extracción de material producto de la excavación, así como la construcción de la unión del anclaje entre la superestructura a cimentación. Se proponen puntales de acero unidos entre sí en los diferentes niveles de estacionamiento para proporcionarle a los muros Milán la estabilidad necesaria durante las diferentes etapas de excavación las cuales rigen el diseño. Por las características geométricas y físicas mencionadas se optó por utilizar el acero estructural tipo A-992 gr.50 como material base dado el propósito de aligerar el peso del sistema estructural para que el cortante en la base fuera el mínimo, en cuanto a la cimentación se utilizó un concreto f c=350 kg/cm Académico Facultad de Ingeniería, UNAM; Director General Cafel Ingeniería S.C., Gral. Sostenes Rocha , Col. Daniel Garza, México, D.F. Tel/fax, (55) ; cafelingenieria@prodigy.net.mx Académico, Facultad de Ingeniería, UNAM, Director General Proyectistas Estructurales Asociados S.C Ingenieria S.C., Alborada , Col. Parques del Pedregal, México, D.F. Teléfono, (55) ; (55) ; rauldos@terra.com.mx Académico Facultad de Ingeniería, UNAM; Gerente Estructuras Cafel Ingeniería S.C., Tel/fax, (55) ; helizarraras@prodigy.net.mx 1

2 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato noviembre Figura 1 Croquis de localización Figura 2 Cortes arquitectónicos y fachadas estructurales del edificio 2

3 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural SUPERESTRUCTURA CRITERIO DE ESTRUCTURACIÓN Se optó por usar columnas en sección compuesta de acero-concreto hasta el N+11 (ver figura 2 y 3) ya que aportan mucho mayor resistencia y rigidez que las columnas de acero sin concreto, es decir el propósito fue restringir los desplazamientos relativos de entrepisos, principalmente en los primeros niveles donde se encuentran irregularidades como dobles alturas y masas considerables en comercios y amenidades (gimnasios, etc.). Figura 3 Plantas arquitectónicas y estructurales del nivel comercio y tipo en superestructura 3

4 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato noviembre SUBESTRUCTURA De acuerdo con el estudio de mecánica de suelos, la cimentación se resolvió con un muro Milán de 50 cm considerando que algunos de sus tableros al profundizarse conformarán pilas rectangulares que se apoyan de punta en estratos resistentes a m de profundidad. La profundidad del cajón será desplantado sobre una losa fondo a m de profundidad, se estima que el espesor de esta losa será de 1.50 m queda regida básicamente por los empujes hidrostáticos ascendentes. Debido al tipo de cimentación y a su proceso de excavación ya mencionado, se asumen dos etapas de análisis estructural. Primera Etapa La primera etapa de análisis estructural es la etapa de construcción considerando la estructura esqueletal metálica interior trabajando sin diafragmas o losas, se puede ver que debido a los empujes laterales del suelo sobre los muros Milán la estructura de cada sótano estaría sometida a fuerzas axiales en compresión, por ello se proponen secciones de acero en forma de cajón (dos vigas IR unidas) cuyo radio de giro es eficiente y soluciona los problemas de pandeo local, incrementando la resistencia a compresión, se puede notar (ver figura 4) que se forman celosías en el plano horizontal con el propósito de restringir el pandeo general. Otro aspecto importante es distribuir uniformemente los esfuerzos de los muros Milán hacia la estructura, por ello que se colocaron riostras o tornapuntas al muro Milán entre puntos intermedios de las vigas puntal y donde se hacen las juntas de los muros Milán con el propósito de evitar desplomes o giros indeseados. Se colocó estructura provisional en la zona de cisterna con el propósito de disminuir la longitud del puntal durante la primera etapa. Figura 4 Planta arquitectónica y estructural del nivel sótano (subestructura) 4

5 Segunda Etapa Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural La segunda etapa de análisis estructural etapa de servicio, será cuando la estructura de acero trabaje con las losas, es decir intervendrán los esfuerzos por flexión debidos a las solicitaciones o acciones verticales de carga externa de estacionamiento como es el peso propio, carga muerta y viva, aunque después del análisis se demuestra que no es representativa comparada con la primera etapa ya mencionada. Sin embargo está etapa aunque no rige el diseño de los elementos de acero en los sótanos, si lo es para el diseño de unión entre la superestructura y el muro Milán sometido a efectos de las cargas verticales y laterales provocadas principalmente por el sismo (ver figura 5). Figura 5 Columna en sección compuesta y unión de superestructura mixta a subestructura ANÁLISIS ESTRUCTURAL ACCIONES DE DISEÑO Cargas permanentes y variables consideradas Para cargas o acciones permanentes se tomó en cuenta la variabilidad de las dimensiones de los elementos, pesos volumétricos y propiedades relevantes de los materiales. Para cargas o acciones variables se determinaron las intensidades máximas, reducidas y medias que corresponden a las combinaciones para el análisis estructural, es decir, la intensidad de carga viva máxima para combinación con los efectos de acciones permanentes, la carga viva instantánea o reducida para combinarse ante una acción accidental como el sismo o viento y la carga viva con intensidad media para efectos a largo plazo, lo anterior de acuerdo a lo indicado en las Normas Técnicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el Diseño Estructural de las Edificaciones. SUPERESTRUCTURA: ANÁLISIS SÍSMICO Se realizó el análisis sísmico dinámico modal espectral como lo exige el Reglamento de Construcciones para el DF 2004; sin embargo se realizó el análisis sísmico estático para calibrar las fuerza cortantes dinámicas en la base. 5

6 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato noviembre Análisis sísmico estático Para efectos comparativos y de calibración se realizo el análisis sísmico estático para cada dirección ortogonal principal, considerando un factor de comportamiento sísmico Q=2 en ambas direcciones de acuerdo con las características del edificio relacionadas con los requisitos indicados en el capítulo 5 de las Normas Técnicas Complementarias para diseño por Sismo (NTC-S), se modificó Q multiplicando por 0.8 obteniendo Q para considerar las irregularidades en la geometría y distribución de cargas. Análisis sísmico dinámico El análisis sísmico dinámico modal espectral se realizó mediante el uso de un programa de análisis por computadora (ETABS), utilizando el espectro indicado para la zona IIIa (ver figura 6). Figura 6 Espectro sísmico para la zona IIIa en la ciudad de México Las fuerzas y cortantes dinámicos sin efectos de torsión obtenidos del análisis dinámico (ver tabla 1) Tabla 1 Cortantes dinámicos y fuerzas sísmicas estáticas equivalentes para la dirección X 6

7 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural Efectos de torsión El programa ETABS puede realizar automáticamente el análisis torsional aplicando solo excentricidades hacia un solo lado del centro de masas, sin embargo las NTC-S exigen realizar el análisis con excentricidades en cada lado del centro de masa. Por tanto los momentos torsionantes MTXi y MTYi se obtienen al multiplicar los cortantes dinámicos modificados obtenidos en DINX MOD y DINY MOD, por la excentricidad accidental de 0.1b, aplicada en el centro de masas del diafragma del nivel considerado (ver tabla 2). Tabla 2 Fuerzas sísmicas estáticas equivalentes y momentos torsionantes para los centros de masa ANÁLISIS DE SUBESTRUCTURA El muro Milán es un elemento que se construye por tableros aislados ya sea colado en el lugar o prefabricado, se colocan alternados y se analiza y se diseña para las diferentes etapas (construcción y servicio). En la primera etapa (condición de construcción), se encuentra sometido básicamente a empujes laterales activos del suelo e hidrostáticas, trabaja esencialmente a flexión y cortante, conforme se excava se va troquelando en este caso por medio de la propia estructura metálica (figura 7). Fig.7 Empuje de Tierras a Corto Plazo por área tributaria en muros Milán En la segunda etapa (condición de servicio), existen empujes de tierra e hidrostáticos, aunque más grandes que en la primera etapa no son significativos a toda la altura del muro. En esta etapa el muro trabaja a flexión 7

8 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato noviembre y fuerza axial combinados, por causa de las inversiones esfuerzos de tensión y compresión provocados por fuerzas laterales como son el sismo ó viento sobre la superestructura (figura 8). Fig.8 Reacciones verticales y laterales de superestructura mas empuje de tierras a largo plazo SUPERESTRUCTURA Derivas de entrepiso Las derivas de entrepiso en dirección X cumplen con el limite permisible (0.012), excepto en el nivel N+05 (amenidades) ligeramente mayor en un sentido debido a la ubicación excéntrica del carril de nado (ver figura9), por criterio se decidió aceptable ya que no se hicieron reducciones de carga viva por áreas (ver figura 10). Para las derivas de entrepiso en dirección Y se cumple con el límite permisible (ver figura 10). Fig 9 Desplazamientos maximos en la estructura por DINX2 y DINY1 (sismo dinámico con torsion) 8

9 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural Fig 10 Graficas: Derivas de entrepiso dieccion X y Y Se exige cumplir con una participación mínima del 90% de las masas en los modos de vibración, cabe mencionar que estos resultados se comprobaron utilizando una hoja electrónica de cálculo (ver tabla 3) Tabla 3: Relación de periodos y masas participativas modales obtenidas del modelo ETABS 9

10 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato noviembre SUBESTRUCTURA Análisis losa de fondo y muro Milán Con el propósito de analizar y diseñar la losa de fondo, se modelo esta con franjas de ancho variable y peralte constante.(ver figura 11) La combinación que rige el diseño del muro Milán es en la etapa constructiva, se revisa el estado límite de resistencia como de servicio como lo exige el Reglamento de Construcciones para el DF (ver figura 12). Fig.11 Idealización de la losa de fondo y momentos de flexión en losa (sobre eje 2) M máx =285 tm Fig. 12 Empuje de tierras en muros Milán (ET CP ), momentos flexionantes y deformación máxima en la primera etapa (2.4mm) 10

11 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural DISEÑO ESTRUCTURAL Diseño del Muro Milán Mediante el programa ETABS se analizó y se diseño el muro para m, considerando las etapas del proceso constructivo (ver figura 13). Figura 13 Elementos mecánicos críticos del análisis para el muro Milán M4 con ancho total de 6.40 m: Momento de flexión: M máx =293 tm, Cortante: V máx =309 t El refuerzo calculado de acuerdo a los elementos mecánicos (ver figura 14) Figura 14. Refuerzo tipo en muro Milán Refuerzo longitudinal: 20 a toda su altura, 10 alternado en sección B-B Refuerzo transversal: 10 11

12 XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato noviembre Diseño de columna en sección compuesta 12

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17 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural CITAS, REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFIA American Institute of Steel Construction AISC (1989). Manual of Steel Construction. Allowable Stress Design (ASD) 9th edition American Institute of Steel Construction AISC.(1994), Manual of Steel Construction. Load & Resistance Factor Design (LRFD). Volume 1. Structural Members, Specifications & Codes. Second Edition. American Institute of Steel Construction, AISC (2002), Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, Chicago IL. AISC. Bazan E. Meli R. (2001), Diseño Sísmico de Edificios Limusa Comisión Federal de Electricidad (2008), Manual de Diseño de Obras Civiles - Diseño por Viento De Buen López de Heredia, Oscar (2004) Diseño de Estructuras de Acero - Construcción Compuesta Cap. 8, México D.F., Fundación ICA, De Buen López de Heredia, Oscar.(1990), Estructuras de Acero Departamento del Distrito Federal (2004), Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, (RCDF 2004) Departamento del Distrito Federal (2004), Normas Técnicas Complementarias (NTC 2004) Gonzalez, Robles F (2005), Aspectos Fundamentales del Concreto Reforzado, Limusa 4ª. Ed. Instituto de Ingeniería, Ayudas de Diseño a las Normas Técnicas Complementarias Instituto Mexicano de la Construcción en Acero A.C. (IMCA 2003), Manual de Construcción en Acero Diseño por Esfuerzos Permisibles, Limusa, 4ª. Edición McCormac, Jack (1999), Diseño de Estructuras de Acero. Método ASD. Alfaomega; 4ta. Edición McCormac, Jack.(1996), Diseño de Estructuras de Acero. Método LRFD. Alfaomega. S.Vinnakota (2006), Estructuras De Acero, Comportamiento y LRFD, Mc. Graw Hill 17