INFORME Y MEMORIA DE CÁLCULO REFORZAMIENTO PABELLÓN COMEDOR COOP. SERV. EDUC. ABRAHAM LINCOLN

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1 INFORME Y MEMORIA DE CÁLCULO REFORZAMIENTO PABELLÓN COMEDOR COOP. SERV. EDUC. ABRAHAM LINCOLN Elaborado por: Cliente : TOP CONSULT INGENIERIA SAC COLEGIO ABRAHAM LINCOLN Lima, Junio de 2012

2 1. OBJETIVOS El presente informe describe y sustenta el trabajo realizado por TOP CONSULT INGENIERÍA SAC para el reforzamiento del pabellón destinado a comedor, y futuro gimnasio en el segundo nivel, en el COLEGIO ABRAHAM LINCOLN ANTECEDENTES En el estudio realizado anteriormente por TOP CONSULT INGENIERÍA SAC, se concluyó principalmente lo siguiente: La losa aligerada en dos sentidos muestra una deficiente resistencia para esfuerzos de cortante. Las vigas chatas principales en cada eje, no poseen suficiente rigidez para evitar deflexiones considerables, excediendo los valores máximos por la Norma vigente. Los pórticos longitudinales poseen mucha diferencia en rigidez: el lado cerrado muestra muros de concreto y de albañilería, mientras que el lado abierto posee columnas circulares de 30cm de diámetro. Esto genera que la estructura posea un comportamiento torsional excesivo en caso de un sismo en la dirección longitudinal. Por el motivo anterior, las columnas y los muros son muy exigidas y no cumplen con las solicitaciones de resistencia. La estructura no posee suficiente rigidez para controlar las derivas, superando los límites admisibles por la Norma vigente. Por los motivos señalados de torsión y de deriva máxima, la estructura califica como IRREGULAR y NO ADMISIBLE, calificación inadecuada para una edificación educacional. Por tales razones, se solicitó realizar un proyecto de reforzamiento estructural, considerando una futura ampliación del segundo nivel destinado a gimnasio. 3. RESUMEN EJECUTIVO Para el reforzamiento del pabellón, fue necesario realizar los siguientes puntos indicados, ordenados según proceso constructivo: a. Reforzar las zapatas existentes, ya sea aumentando sus dimensiones y su refuerzo o demoliéndolas y construir nueva cimentación. Esto se debe a que el efecto sísmico solicita a la cimentación mayor área de apoyo (por los esfuerzos del suelo) y mayor peso para evitar que las zapatas se levantes. b. Construir nueva cimentación para la zona a ampliar. Esta nueva cimentación se conectará con la cimentación existente mediante vigas de cimentación. c. Reforzar las columnas existentes, generando nuevos elementos verticales estructurales, debido a la solicitud de tener mayor área de muros. Estos muros aportarán la rigidez que la estructura solicita en un caso sísmico y disminuirán los esfuerzos en las vigas existentes. d. Levantar nuevos elementos verticales en la zona a ampliar. e. Incluir vigas metálicas debajo de las vigas chatas principales existentes. Estos elementos ayudarán a controlar las deflexiones y, por ende, las fisuras. Las vigas serán cubiertas de planchas con contenido de yeso.

3 f. Reforzar la viga perimetral exterior, aumentando sus dimensiones. Así se rigidizará el pórtico, en el cual están los muros principales en la dirección longitudinal. g. Agregar listones de fibra de carbono en la losa existente para evitar la fisuración excesiva. h. Extender la losa a la zona a ampliar. En esta extensión, se deberá empalmar bien las losas para que actúen conjuntamente de manera de diafragma. i. Para el nuevo nivel, levantar los elementos verticales hasta el segundo nivel, sin considerar las columnas circulares existentes. j. Construir la losa del segundo nivel, con las vigas peraltadas respectivas. La losa es similar a la del primer piso (en dos direcciones) para simplificar el diseño y la construcción. Las vigas son peraltadas para controlar las deflexiones. k. Construir las escaleras y los corredores indicados en la arquitectura. 2 En el presente informe se incluyen los cálculos que sustentan el diseño de los elementos y del reforzamiento mencionado.

4 4. ESTRUCTURACIÓN Y MODELAMIENTO La estructuración se basó en muros de concreto y vigas peraltadas en los pórticos principales. De esta manera, se rigidiza la estructura limitando los desplazamientos y controlando la torsión. Además se agregó vigas metálicas para controlar las deflexiones del techo en el primer nivel. Para todo esto se tuvo que reforzar de gran manera la cimentación existente. 3 Las características para el diseño fueron las siguientes. PROPIEDADES DE MATERIALES Concreto: Acero Estructural A36 Acero de Refuerzo Pernos A325 DIMENSIONES DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES Columnas de Concreto C-1 : 0.25 x 1.10 m C- : 0.30 x 1.10 m C-3 : 0.30 x 1.10 m V-102, V-202, V- 203, V-104, V- 204 : Vigas de Concreto 0.30 x 0.70 m Muros de Concreto V-105, V-205 : 0.30 x 0.60 m M-1, M-2, M-, M-3, M-4 : t = 30cm Vigas Metálicas W16x x 0.41 m Losa Aligerada en Dos Direcciones h = 25cm Separación de viguetas = 70cm

5 Las zapatas varían individualmente. Es conveniente observar sus dimensiones en el plano de encofrado adjunto. El modelo y el análisis se realizaron en el programa SAP2000. Este programa permite realizar el análisis de manera rápida y poder ir variando dimensiones para la estructuración con facilidad. Las columnas, los muros y las vigas se modelaron como elementos lineales, mientras que la losa se hizo con elementos finitos. 4 Modelo 3D de la estructura. Vista lateral izquierda. Vista lateral derecha Deformación por cargas de gravedad. Deformación por sismo en dirección Y. Las cargas de gravedad que se consideraron para el análisis son las siguientes:

6 Tipo de Carga Concreto armado 2.40 ton/m 3 Losa aligerada en dos direcciones ton/m 2 Acabados 0.10 ton/m 2 Sobrecarga primer techo 0.40 ton/m 2 Sobrecarga segundo techo 0.10 ton/m 2 5 Estas cargas se introdujeron como cargas por área en la losa y se le definió a todos los elementos lineales el peso propio.

7 5. ANÁLISIS SÍSMICO El análisis sísmico se realizó según la Norma Técnica E.030 Diseño Sismo Resistente. Las consideraciones iniciales para realizar el análisis son las siguientes: 6 La edificación, ubicada en el distrito de La Molina, es esencial por ser entidad educacional. La zona posee un estrato de suelo gravoso, debajo de una capa de suelo areno limoso. Debido a la estructuración planteada, la estructura resistente está compuesta por muros de concreto. Se comprobará la regularidad de la edificación. Con esto se obtienen los parámetros sísmicos. Zona 1 Edificación Esencial Suelo Intermedio Sistema Estructural Z 0.40 U 1.50 S 1.20 Configuración REGULAR Tp 0.90 Rx 6.0 Ry 6.0 Para realizar el análisis estático, se debe calcular el peso de la estructura. PESO PROPIO ton PISO AREA Altura CARGAS ADICIONALES DISTRIBUIDAS m2 m LOSA ACABADOS TABIQUERÍA SOBRECARGA PESO ton ton TOTAL ton PESO TOTAL DE ESTRUCTURA ton De esto se realiza el análisis sísmico estático y se genera el espectro que se introducirá en el modelo para realizar el análisis dinámico. Luego se amplifica el espectro para lograr el 80% de la fuerza cortante estática, como lo indica la Norma E.030. Análisis Sísmico Estático Fuerza Cortante X Fuerza Cortante Y T T C C C/R C/R V estático ton V estático ton 0.8 Vest ton 0.8 Vest ton Espectro Dinámico

8 7 Análisis Sísmico Dinámico y Factores de amplificación CORTANTE DINÁMICO Factores de Amplificación V din X ton Factor X V din Y ton Factor Y Se verifica que cumpla con la regularidad torsional y con la deriva máxima admisible. d perm Derivas por SISMO X Derivas por SISMO Y d min d max d prom Verificación d min d max d prom Verificación REGULAR REGULAR REGULAR REGULAR * Los valores de d son resultados del análisis elástico CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL REGULAR d máx DERIVA MÁXIMA ADMISIBLE CUMPLE De esta manera se comprueba que la estructuración planteada cumple con las solicitaciones sísmicas exigidas por la Norma vigente.

9 6. DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES Con el modelo realizado y las cargas gravitatorias y sísmicas asignadas, se procede a diseñar los elementos para que cumplan con las solicitaciones. 8 A continuación, se presentan algunos diagramas de fuerzas internas de los elementos a diseñar y los diagramas de resistencia que cumplen con las solicitaciones de resistencia: ANÁLISIS Y DISEÑO DE LOSAS ALIGERADAS Diagramas de momento flector de la losa del primer piso (arriba) y del segundo piso (abajo). Diagramas de resistencia a flexión de la losa del 2do piso, en la dirección X (izquierda) y en la dirección Y (derecha).

10 ANÁLISIS Y DISEÑO DE VIGAS 9 Diagramas de momento flector de las vigas transversales del primer y segundo piso. Diagramas de la resistencia a flexión (izquierda) y a cortante (derecha) en la viga V-102 (primer piso). Diagramas de la resistencia a flexión (izquierda) y a cortante (derecha) en la viga V-202 (segundo piso).

11 ANÁLISIS Y DISEÑO DE COLUMNAS Y MUROS 10 Diagrama de momento flector (flexión longitudinal) del muro M-1 en el primer y segundo piso. Combinación 1.4 CM+1.7 CV 1.25 ( CM + CV ) ± CSx 0.9 CM ± CSx 1.25 ( CM + CV ) ± CSy 0.9 CM ± CSy Pu Mu Mn φmn Vu sism ton ton.m ton.m ton.m ton Diagrama de interacción del muro M-1, en ambos pisos, con su cuadro de resistencia a flexión (eje fuerte).

12 11 Diagrama de fuerza cortante (dirección longitudinal) de las columnas del eje en el primer y segundo piso. Combinación 1.4 CM+1.7 CV 1.25 ( CM + CV ) ± CSx 0.9 CM ± CSx 1.25 ( CM + CV ) ± CSy 0.9 CM ± CSy Pu Mu Mn φmn Vu sism ton ton.m ton.m ton.m ton Diagrama de interacción de las columnas C-1 en ambos pisos, con su cuadro de resistencia a flexión (eje fuerte). En el Anexo, se adjuntan tablas de diseño empleados para estos elementos. En estos documentos se muestra en detalle los cálculos realizados, que son típicos para el resto de la estructura.

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