MEMORIAS DE CHEQUEO ESTRUCTURAL UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA BLOQUE D SANTA MARTA

Transcripción

1 MEMORIAS DE CHEQUEO ESTRUCTURAL UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA BLOQUE D SANTA MARTA Por: Gustavo A. Chang Nieto Ing. Civil, MSc-Estructuras Matricula N BLV Presentado a: Francisco Javier Ruiz Brand Subdirector Nacional de Infraestructura SANTA MARTA FEBRERO DE 2015

2 TABLA DE CONTENIDO MEMORIAS DE CHEQUEO ESTRUCTURAL... 1 TABLA DE CONTENIDO... 2 INTRODUCCIÓN LEVANTAMIENTO DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES ACTUALES Zapatas Vigas entrepiso Columnas Resistencia del concreto EVALUACIÓN DE CARGAS Análisis de carga muerta entrepiso y cubierta (NSR-10, Art. B.3.3) Análisis de peso propio Análisis de carga viva (NSR-10, Art. B.4.2) Movimientos Sísmicos de Diseño (NSR-10, Capitulo A.2) Capacidad de disipación de energía (NSR-10, A.3.2) COMBINACIONES DE CARGA (NSR-10, CAPITULO B.2) RESULTADOS DE LA MODELACIÓN Chequeo de Zapatas existentes Chequeo de Columnas existentes en concreto reforzado Chequeo de Vigas y nervios de la losa del segundo nivel (condición actual) Chequeo de Vigas y nervios de la losa de cubierta (condición actual) Chequeo de derivas Condiciones de Reforzamiento o Repotenciación CANTIDADES DE OBRA Y PRESUPUESTO CRONOLOGIA Y TIEMPOS DE INTERVENCIÓN CONCLUSIONES

3 INTRODUCCIÓN Por solicitud de la oficina de Infraestructura de la Universidad Cooperativa de Colombia, se realizó el estudio de revisión estructural de la edificación correspondiente al Bloque D. La estructura a revisar corresponde a una edificación de dos (2) niveles en la cual su sistema estructural es el de pórticos resistentes a momentos, el sistema de piso es una losa aligerada que trabaja en una dirección con nervios a cada 0.60 m. La cubierta es también una losa aligerada con plaquetas prefabricadas. Las alturas de entrepiso miden 3.00 m, las distancias entre ejes de columnas varían entre los 3.30 m, 5.30 m y 5.50 m. El edificio en mención fue diseñado y construido hace unos 29 años, es decir muy cerca de la entrada en vigencia del decreto 1400 de 1984 el cual reglamentó el primer código para construcciones que tuvo Colombia, el Código Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes, CCCSR-84, elaborado con base en el trabajo del Comité AIS-100 de la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS, y creado por orden presidencial a raíz de los importantes daños causados en Popayán por el sismo de 1983; por lo que su diseño es posible presente deficiencias en el comportamiento sismo resistente. Por lo anterior se hace necesario e imprescindible la revisión y posterior actualización de su estructura a los actuales requisitos exigidos por la normatividad vigente como lo es la actualización que la AIS preparó en su versión AIS , y que se instituyó mediante la Ley 400 de 1997, reglamentada por los decretos 33 de 1998, 34 de 1999, 2809 de 2000 y 52 de 2002 como lo es las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente NSR-10. Para el desarrollo de este estudio fue necesario la realización de una serie de pruebas destructivas como son la toma de núcleos de concreto de vigas y columnas con el fin de determinar la calidad y resistencia actual del concreto, adicionalmente se realizaron regatas (escarificaciones a las columnas con el fin de determinar las dimensiones, recubrimientos, estado y cantidad del acero de refuerzo de las columnas. También se llevaron a cabo pruebas no destructivas empleando un equipo detector de acero de refuerzo para determinar la separación y tamaño de los aceros transversales de cortante. Basándonos en los planos arquitectónicos suministrados por el contratante y los datos obtenidos de los ensayos destructivos y no destructivos se procedió a elaborar el modelo en elementos finitos con el fin de simular el comportamiento de la estructura ante las diversas cargas exigidas por los códigos de diseño como es la carga muerta, viva, fuerza sísmicas y sus combinaciones e hipótesis de carga. Para la simulación se empleó el programa SAP2000 V14.2.2, para el chequeo y rediseño nos basamos en el método de la rotura. Atentamente, Gustavo Chang Nieto Ingeniero Civil MSc-Estructuras

4 1.0 LEVANTAMIENTO DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES ACTUALES 1.1 Zapatas. De los apiques (excavaciones) que se realizaron se encontraron zapatas con las siguientes dimensiones: BLOQUE UBICACIÓN DIMENSIONES Largo (m) Ancho (m) Peralte (m) Desplante (m) A Eje A A Eje A El acero encontrado en estas zapatas es 1 5/8 a cada 0.20 m en ambas direcciones 1.2 Vigas entrepiso. B Eje B B Eje B C Eje C C Eje C C Eje C D Eje D ELEMENTO BASE (m) ALTURA (m) ALTURA EFECTIVA (m) Viga de pórtico entrepiso Vigueta entrepiso Viga de pórtico cubierta Vigueta cubierta Columnas. ELEMENTO BASE (m) ALTURA (m) RECUBRIMIENTO (m) Columna tipo Columna tipo Resistencia del concreto.

5 Para conocer la resistencia del concreto se realizó una toma de núcleos para someterlos a un ensayo de compresión. Dichos resultados muestran una dispersión lo suficientemente amplia como para asignar un valor medio, calcular una frecuencia o sacar el valor más representativo, por lo tanto en virtud de asumir una condición favorable para la estructura se asume de forma temporal para esta primera validación de la edificación, una resistencia promedio de 3000 psi (210 kgf/cm 2 ) para todos los elementos estructurales.

6 2.0 EVALUACIÓN DE CARGAS Siguiendo con los lineamientos del Título B- Cargas se procede a estimar las distintas solicitaciones que van a ser aplicadas sobre la cubierta y la estructura a porticada. A continuación se evalúan las cargas gravitacionales (viva y muerta), de viento y sísmicas. 2.1 Análisis de carga muerta entrepiso y cubierta (NSR-10, Art. B.3.3). Para la losa del segundo nivel se realizaron perforaciones para establecer los espesores que conforman la losa de entrepiso: Muros interiores Para el peso de los muros de fachada e interiores se hizo el siguiente análisis de cargas muertas por metro de área de muro. Dependiendo de la altura de los muros se obtiene la carga que aportan por metro lineal sobre le elemento que los soportan. Para la losa de cubierta: 0 kgf/m2 Pisos 0.025* kgf/m2 Relleno (mortero) 0.09* kgf/m2 Loseta 0.05* kgf/m2 Cielo Raso Carga Muerta total 10 kgf/m2 379 kgf/m2 Pañete 0.04* kgf/m2 Pega 8*0.01* kgf/m2 Bloques 7.0* kgf/m2 Carga Muerta total 188 kgf/m2 Impermeabilización 15 kgf/m2 Relleno (mortero) 0.10* kgf/m2 Loseta 0.05* kgf/m2 Cielo Raso 10 kgf/m2 Carga Muerta total 376 kgf/m2 2.2 Análisis de peso propio. El programa SAP 2000 V calcula el peso propio de la estructura como nervios o viguetas, vigas de cimentación, vigas cargueras, vigas sísmicas y columnas; por lo tanto no se incluyen en el análisis de cargas muertas del numeral anterior.

7 Sa (%g) Gustavo Ariel Chang Nieto. Matricula Profesional BLV 2.3 Análisis de carga viva (NSR-10, Art. B.4.2). Por disposición de la NSR-10 se asume una carga viva de 200 kgf/m 2 para la losa del segundo nivel y de 100 kgf/m 2 para la losa de cubierta debido a la existencia de equipos y tubería del sistema de refrigeración del edificio. 2.4 Movimientos Sísmicos de Diseño (NSR-10, Capitulo A.2). La ubicación geográfica del proyecto nos indica que este se encuentra ubicado en una zona de amenaza sísmica intermedia, el estudio de suelos nos dice que el perfil estratigráfico del suelo clasifica como un suelo tipo D. MOVIMIENTOS SÍSMICOS DE DISEÑO NSR-2010 A.2.2 Aa : Av : Fa : Fv : I : To : Tc : Tl : 0.15 Coeficiente que representa la aceleración horizontal pico efectiva Coeficiente que representa la velocidad horizontal pico efectiva 1.5 Coeficiente de amplificación que afecta la aceleración en la zona de períodos cortos, debida a los efectos de sitio, adimensional. 2.4 Coeficiente de amplificación que afecta la aceleración en la zona de períodos intermedios, debida a los efectos de sitio, adimensional Coeficiente de importancia s 0.51 s 5.76 s Con base en la anterior información el espectro elástico de diseño tendría una forma como la que muestra la siguiente figura: Espectro Elástico de Diseño NSR T (s)

8 2.5 Capacidad de disipación de energía (NSR-10, A.3.2). El tipo de sistema estructural que impera en todos los bloques de la Universidad Cooperativa de Colombia, sede Santa Marta es el sistema de pórtico, el cual se define como: Sistema de pórtico - Es un sistema estructural compuesto por un pórtico espacial, resistente a momentos, esencialmente completo, sin diagonales, que resiste todas las cargas verticales y fuerzas horizontales. De la tabla A.3-3, se obtiene el coeficiente de disipación de energía sísmica R=5.0 para un grado de disipación moderada DMO. Ro = 5.0

9 p = 0.9 a = 0.9 R R o a R x0.9 p R 4.05

10 3.0 COMBINACIONES DE CARGA (NSR-10, CAPITULO B.2) Las diversas cargas (viva, muerta, viento, fuerzas inerciales) deben combinarse con el objetivo de poder determinar las máximas solicitaciones sobre los elementos estructurales y estos puedan diseñarse de la manera más conveniente.

11 4.1 Chequeo de Zapatas existentes. 4.0 RESULTADOS DE LA MODELACIÓN. PROYECTO: Revisión estructural Bloque D. PROPIETARIO: Universidad Cooperativa de Colombia D I S E Ñ Ó : Gustavo Chang. IC-MIC. R E V I S Ó : Gustavo Chang. IC-MIC. FECHA: 28-dic-14 Prof. L d DESCRIPCIÓN: Zapata eje D Original By Hx B D A T O S D E D I S E Ñ O 1. Cargas 2. Excentricidades. 3. Capacidad suelo. 4. Materiales a emplear. 5. Datos de columna. Pcv: ton ex ó e 1 : m g s : 1.80 tonf/m 3 f'c: 210 kgf/cm 2 by: 0.25 m Pcm: ton ey ó e 2 : m s adm. : tonf/m 2 fy: 4200 kgf/cm 2 hx: 0.30 m Pcv+cm: ton Prof: 1.50 m g con : 2.40 tonf/m 3 Tipo Col: exterior OPCION Peralte d s neto Az Cuadrada : L 2 Rectangular: B x L (m) (m) (tonf/m 2 ) (m 2 ) L (m) L (m) B (m) L (m) 1 h 1 : h 2 : h 3 : h 4 : h 5 : Que opción desea escoger? 7.Calculo de Esfuerzos admisibles y Último h: 0.30 m Az: 1.44 m 2 d: 0.23 m Qmáx : tonf/m 2 OK B: 1.20 m Qmin : tonf/m 2 L: 1.20 m Qult : tonf/m 2 8.Chequeo a Cortante. 8.1 Una dirección OK 8.2 Dos direcciones OK Vu: 4.77 tonf bo: 2.02 m Ac: 0.46 m 2 Vc: tonf bc: 1.20 Vu: tonf a s : 30 Vc: tonf 9. Cuantias b : 0.85 r min : r máx : Chequeo a flexión Dirección Larga "L" OK 10.2 Dirección Corta "B" OK Mu: ton-cm Mu: ton-cm K: tonf/cm 2 K: tonf/cm 2 r: r: As: 9.20 cm 2 Ast: 9.20 cm 2 N 4 N 4 Colocar cada 0.16 m As central: 9.20 cm 2 Colocar cada 0.15 m Esta zapata cumple con todos los requisitos.

12 4.2 Chequeo de Columnas existentes en concreto reforzado. Las columnas identificadas en color rojo indican que el índice de sobre esfuerzo es mayor a la unidad, algunas fallas tienen la siguiente convención: PMM= sobre esfuerzo en el diagrama de interacción. BCC= se excede los límites de la relación viga columnas. JS= se supera la resistencia al esfuerzo cortante.

13 Como un ejemplo se muestra a continuación el detalle de un elemento tipo columna. En los anexos se da la relación detalla de cada columna. En los anexos se adjunta el resultado detallado de cada columna.

14 4.3 Chequeo de Vigas y nervios de la losa del segundo nivel (condición actual).. El color rojo representa los elementos que no soportan las nuevas cargas y por lo tanto deben objeto de reforzamiento.

15 4.4 Chequeo de Vigas y nervios de la losa de cubierta (condición actual).

16 4.5 Chequeo de derivas. Sismo en X (máxima deformación lateral en U 1 = U x =2.48 cm) Sismo en Y (máxima deformación lateral en U 2 = U y =2.39 cm). En los anexo se dan en detalle las deformaciones de cada punto.

17 4.6 Condiciones de Reforzamiento o Repotenciación. Se analizaron distintas hipótesis de repotenciación desde tener en cuenta el aporte de rigidez de los muros (mampostería) existentes y su correspondientes adecuación (construcción de cimentación corrida y adición de mallas de refuerzo con concreto lanzado) hasta la de solo recrecer los elementos que estuvieran fallando. Modelación 1: Esta se hizo basándose con las condiciones existentes para deducir que elementos debían ser repotenciados. Modelación 2: Dentro del modelo se asumió el aporte de rigidez y de apoyo que podrían aportar los muros interiores y de fachada (en esta condición se reacondicionaron los muros existentes mediante la aplicación de acero de refuerzo y concreto lanzado tanto en su cuerpo como en su cimentación), se repotenciaron las vigas y columnas que tuvieran un índice de sobresfuerzo mayor de la unidad. Modelación 3: Se cambian parte de los muros interiores por pantallas de concreto reforzado para disminuir las distancias entre columnas y distribuir las cargas con mayor eficiencia entre vigas y columnas. Modelación 4: Se decide desmontar parcialmente la cubierta del segundo nivel para disminuir la carga muerta sobre la estructura (sobre todo existe un sobre relleno que fue colocado cuando se realizaban muy posiblemente trabajos de mantenimiento de impermeabilización), los resultados muestran que la cantidad de elementos a repotenciar son menores. Por razones de facilidad de intervención (logística), tiempo requerido para realizar el reforzamiento, la economía del proyecto y por sobre todo la urgencia manifiesta por las Directivas de la sede en la cual los Programas de Psicología y Derecho están en proceso Acreditación por Alta Calidad y de Renovación de Registro Calificado respectivamente. Se eligió la hipótesis 5. Dentro de las condiciones establecidas en la hipótesis 5, se asumió retirar el mortero de relleno, losetas y nervios de la losa de cubierta, para disminuir la carga muerta (masa) y por ende se reducen las fuerzas sísmicas (inerciales). Posteriormente se procedió a analizar la nueva estructura bajo las distintas combinaciones de carga establecidas por la NSR-10 y determinar qué elementos tenían un índice de sobreesfuerzo mayor a la unidad. Para reforzar la losa de entrepiso se decidió instalar un perfil metálico tipo IPE-100 entre vigueta y vigueta de concreto existente y que estuviera fallando, de esta forma se reduce el ancho aferente y la carga asignada a los nervios insuficientes. Para las viguetas y losetas que presenten problemas patológicos tales como corrosión en su acero de refuerzo, hormigueros y concreto desprendido, se procederá con la limpieza del acero, aplicación de un inhibidor de corrosión, aplicación de un imprimante que garantice la adherencia del concreto endurecido y el nuevo mortero o concreto de reparación. Para las vigas cargueras que tuvieran los mismos problemas patológicos se realiza el mismo procedimiento de reparación y en las zonas en donde estuviera fallando por cortante se recrece la sección aumentando la capacidad al esfuerzo cortante. De la modelación se determina la longitud en la cual la viga es insuficiente y se decide anclar acero a cortante

18 extra mediante adhesivos epóxicos y se recrece la sección con un concreto de baja retracción. En cuanto a las columnas, el proceso de repotenciación es la de recrecer la sección mediante la adición de más acero longitudinal y la de estribos en las zonas de confinamiento e intermedia. La descripción de la nueva cubierta del bloque se compone de una viga canal (2.00 m de ancho) en Metaldeck y concreto reforzado para la circulación de personal de mantenimiento y la instalación de los equipos de Aire Acondicionado, en el resto del área se instalará una cubierta termo-acústica apoyada sobre perfiles metálicos de lámina de delgada. A continuación se muestra una imagen del nuevo modelo empleado con todas las modificaciones propuestas y los resultados esperados. Nuevo Modelo Matemático. Chequeo de Vigas Cargueras.

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20 Chequeo de Vigas de cubierta. Se observa que al disminuir la carga muerta de la losa de cubierta, la cantidad de columnas a intervenir disminuye considerablemente.

21 6.0 CRONOLOGIA Y TIEMPOS DE INTERVENCIÓN. SECUENCIA O ALTERNATIVA DE INTERVENCIÓN PARA LA REPOTENCIACIÓN : EJECUTAR LA OBRA EN DOS ÉTAPAS. CRONOLOGIA DE LA INTERVENCIÓN 1RA ETAPA: 1ER PISO : LABORATORIO DE SIMULACION CLINICA - SALA DE AUDIENCIAS 2DO PISO: 5 AULAS DE CLASE - LABORATORIO DE REDES Y TELECOMUNICACIONES - GIMNASIO. M2 = 987,58 2DA ETAPA 1ER PISO: LABORATORIO DE PSICOLOGIA - CAMARA GESELL - LABORATORIO DE FISICOELECTRONICA - SALON D DO PISO: 7 AULAS DE CLASE. M2 = 845,62 TIEMPO DE EJECUCION DE LA OBRA TIEMPO DE EJECUCIÓN DE LA OBRA 1RA ETAPA: 2DA ETAPA 1ER PISO : LABORATORIO DE SIMULACION CLINICA - SALA DE AUDIENCIAS 2DO PISO: 5 AULAS DE CLASE - LABORATORIO DE REDES Y TELECOMUNICACIONES - GIMNASIO. 1ER PISO: LABORATORIO DE PSICOLOGIA - CAMARA GESELL - LABORATORIO DE FISICOELECTRONICA - SALON D DO PISO: 7 AULAS DE CLASE. 3 MESES 3 MESES

22 7.0 CONCLUSIONES. 1 El estudio geotécnico dio como clasificación un perfil estratigráfico tipo D y en términos generales las características físico-mecánicas de los materiales encontrados se consideran buenas. 2 Se analizaron cinco distintas hipótesis de repotenciación desde tener en cuenta el aporte de rigidez de los muros (mampostería) existentes y su correspondiente adecuación (construcción de cimentación corrida y adición de mallas de refuerzo con concreto lanzado), adición de perfiles metálicos y hasta la de solo recrecer los elementos que estuvieran fallando. 3 Se retira la losa de cubierta (nervaduras y losetas prefabricadas más el sobre espesor de mortero de relleno), se reducen las cargas muertas y por consiguiente las fuerzas sobre las columnas y la cimentación. Se proyecta una cubierta liviana y con características termo-acústicas tipo Mono Roof, con una viga canal central construida con metaldeck y concreto para el manejo de las aguas lluvias, transito de personal de mantenimiento y la instalación de equipos para aire acondicionado. 4 Al disminuir la carga muerta las presiones sobre el suelo son menores que las actuales, se destaca que las columnas que deban ser objeto de repotenciación en el primer nivel se les debe analizar el estado actual de la zapata y de ser el caso repararla o construir otra en su parte superior. 5 Se debe complementar la estructura mediante la instalación de perfiles metálicos tipo IPE-200 para formar los pórticos en el sentido paralelo a las nervaduras. 6 Se disminuye de forma considerable la cantidad de columnas a reforzar. 7 Chequeo de las derivas o deflexiones laterales generadas por la carga SISMO X ó SISMO Y, de acuerdo con las deflexiones esperadas estas no superan el máximo permitido para el sistema estructural de pórticos resistentes a momentos que es del 1.0 % de la altura del piso, que en nuestro caso es máximo de 3.00 cm. 8 En las losetas, viguetas y vigas que presenten problemas patológicos se les debe realizar el retiro del concreto en mal estado, la limpieza del acero corroído, la aplicación de un inhibidor de corrosión y posterior a esto la imprimación de un producto que garantice la adherencia entre el concreto endurecido y el nuevo mortero ó concreto de reparación. Lo importante es que tanto el mortero como el concreto de reparación sean de baja retracción. 9 De acuerdo con el informe del ingeniero patólogo, el Bloque D presenta un alto porcentaje de daño en las losetas, viguetas y vigas cargueras, debido a ello cuando se realice la intervención se podrá saber con mayor precisión el estado de algunos elementos que a simple vista no presentan deterioro. Por lo tanto el costo real y definitivo puede variar. 10 En el eventual caso de que durante la realización de los trabajos de repotenciación se encuentre que la viga carguera en concreto reforzado este demasiado deteriorada y su reparación o repotenciación no sea viable, se podrá reforzar de dos maneras posibles. La primera opción es cuando una viga carguera tenga un muro de mampostería en su parte inferior, se procederá con la construcción de dos columnas de concreto intermedia y de la construcción de una nueva viga en concreto reforzado que soporte la viga original deteriorada, cabe destacar que la idea es generar un nuevo pórtico estructural. La otra opción es la de construir un pórtico mediante perfiles metálicos que tome la carga de la viga en mal estado, para este pórtico metálico se instalaría una viga metálica tipo HEA-200 apoyada sobre columnas HEA 180 y estas a su vez sobre pedestales de concreto reforzado. 11 Mejorar el inadecuado soporte de losetas sobre las viguetas o nervaduras, debido al mal acabo de las nervaduras se emplea agregado grueso para que acomode las

23 losetas. Ante un movimiento de la estructura, se podría expulsar esta cuña y la loseta quedaría en el aire sin soporte. 12 Aplicar una pintura epóxica a todos los elementos estructurales de concreto, con el fin de generar una barrera ante agentes externos como el dióxido de carbono. Se recomienda aplicar Gris Basalto de SIKA COLOR C. 13 La modelación se basó en el hecho de que la resistencia del concreto es de 21 MPa, esto por la alta variabilidad de los núcleos. 14 Para mantener homogeneidad en las resistencias del concreto el recrecimiento de los elementos estructurales se realizó con una resistencia mínima de 21 MPa. 15 Esta propuesta de repotenciación considera que se puede extender la vida útil de la edificación al menos 10 años más. 16 El costo de construir una nueva edificación con las mismas áreas de construcción a la existente tendría un valor de $ El costo de repotenciar la edificación actual de la forma antes descrita tendría un valor estimado de $ Atentamente, GUSTAVO ARIEL CHANG NIETO, Ingeniero Civil Master of Science-Estructuras