MEMORIA DESCRIPTIVA ESTRUCTURAS 1. UBICACIÓN Y DESCRIPCIÓN El TERMINAL SUR (MATELLINI), está ubicado en la intersección de la Av. Prolongación Paseo de la República y la Av. Colectora Residencial (Av. Matellini), en el distrito de Chorrillos. El Terminal posee dos Vestíbulos de Ingreso, uno a cada lado de la Av. Colectora Residencial, ambos unidos por un puente peatonal metálico. Estas edificaciones son de dos pisos con una doble altura en su interior. Los Vestíbulos de Ingreso son tratados como una estructura mixta de pórticos metálicos y placas de concreto armado. Los techos son de estructura liviana de aluzinc sobre tijerales de acero. El puente peatonal tiene 60 metros de longitud, 4 metros de ancho y un peralte de 5 metros, está superpuesto a la estructura de concreto que le sirve de apoyo, ubicada en el interior de los volúmenes de los Vestíbulos. Este puente será armado en obra e izado con dos grúas, una de cada extremo. Existen dos zonas de andenes, una para cada sistema y a diferentes alturas 0.90 m. en la zona del sistema troncal y 0.30 m. en la zona del sistema alimentador. Están conformados por parantes metálicos rectos que pueden ser elaborados en fábrica y trasladados a obra para su instalación. Las baterías de servicios higiénicos están colocadas en las colas de los edificios y son estructuras de albañilería confinada con losas aligeradas de concreto armado. 2. NORMAS APLICADAS Reglamento Nacional de Construcciones. Norma Técnica de Edificación E-020 "Cargas". Lima, 1985 Reglamento Nacional de Construcciones. Norma Técnica de Edificación E-030 "Diseño Sismo Resistente". Lima, 2003. Reglamento Nacional de Construcciones. Norma Técnica de Edificación E-050 "Suelos y Cimentaciones". Lima, 1997. Reglamento Nacional de Construcciones. Norma Técnica de Edificación E-060 Concreto Armado. Lima, 1989. Reglamento Nacional de Construcciones. Norma Técnica de Edificación E-070 Albañilería, Lima, 1989. Reglamento Nacional de Construcciones. Norma Técnica de Edificación E-090 Estructuras Metálicas, Lima, 1989.
3. ESTUDIO DE SUELOS CON FINES DE CIMENTACIÓN El estudio geotécnico con fines de cimentación fue realizado por el Ing. Rubén Mendoza Dongo. En su informe se indica que Los suelos en la zona del proyecto, hasta la profundidad estudiada, presenta superficialmente un terreno de cultivo arcillo arenoso (zona de jardín), ligeramente plástico y de consistencia firme. Seguidamente, se observó un material de relleno removido arcillo arenoso, ligeramente plástico y de consistencia firme. A continuación, se pudo apreciar un estrato arcillo arenoso (CL), medianamente plástico y de consistencia firme a dura. En el sector de C-1, este estrato se prolonga hasta el final de la excavación; mientras que en las excavaciones restantes se intercala con tres (03) tipos de estratos : arenas limosas no plásticas, del tipo SM (calicata C-2), arenas pobremente graduadas no plásticas, del tipo SP (calicatas C-3, C-4 y C-6) y limos arenosos no plásticos, del tipo ML (calicatas C- 4 y C-5). están conformados por materiales de naturaleza plástica, predominando las arcillas de baja a mediana plasticidad (CL) y las arenas finas arcillosas (SC). Estos suelos presentan estados de consistencia y compacidad altos (arcillas muy rígidas a duras y arenas muy densas) con valores promedio de N (del ensayo de SPT) mayores que 50. No se ha detectado la presencia de nivel freático en ninguno de los pozos a la profundidad estudiada. Se recomienda considerar un esfuerzo admisible de 0.8 kg/cm 2, a la profundidad mínima de cimentación de 1.20 m (1.50 a partir de la progresiva 600). Para efectos del análisis sísmico el perfil de suelo fue clasificado como S3, por lo que se consideraron S=1.4 y T p =0.9 s. En ninguno de los sectores considerados para el presente proyecto se detectó la presencia de sales agresivas al concreto de cimentación, por lo que se recomienda el uso de Cemento Portland Tipo I. 4. MATERIALES Concreto ciclópeo Resistencia nominal (ACI 318-02) f c = 100 kg/cm 2 Se permitirá hasta 30% de piedra grande en cimientos sin refuerzo y hasta 25% de piedra mediana en sobrecimientos no reforzados. Concreto armado Resistencia nominal (ACI 318-02) f c = 210 kg/cm 2 Módulo de elasticidad E = 210 000 kg/cm 2 Peso específico 2.4 t/m 3 Acero de refuerzo grado 60 f y = 4,200 kg/cm 2 Albañilería Resistencia nominal en pilas f m =45 kg/cm 2 Módulo de elasticidad E = 22 500 kg/cm 2 Unidades de albañilería tipo IV (ITINTEC 331.017) Mortero 1 : 0,5 : 4 (cemento : cal : arena) Todos los muros sombreados en las plantas serán de albañilería sólida, con máximo 25% de vacíos. Acero estructural Perfiles y planchas (ASTM A36) f y = 2 500 kg/cm 2 Soldadura AWS E70XX
5. PROCEDIMIENTOS DE ANÁLISIS El análisis de las estructuras de concreto armado se hizo con el programa ETABS (versión 8). Para el análisis y la verificación del refuerzo de las losas armadas en una dirección se usó la hoja de cálculo vigas.xls. Las losas macizas, con refuerzo en dos direcciones ortogonales, fueron analizadas con el programa SAFE. El análisis de las estructuras metálicas se realizó con el programa SAP 2000 (versión 8). En el análisis se supuso comportamiento lineal y elástico. Los elementos de concreto armado se representaron con elementos lineales. Sus rigideces se determinaron ignorando la fisuración y el refuerzo. Los edificios fueron analizados con modelos tridimensionales, suponiendo losas infinitamente rígidas frente a acciones en su plano. 6. CARGAS Cargas Verticales Las cargas verticales se evaluaron conforme a las normas vigentes. Para las losas aligeradas, armadas en una dirección, se supuso un peso de 300 kg/m2. Los pesos de losas macizas, vigas, columnas y escaleras se estimaron a partir de sus dimensiones en planos, considerando un peso específico de 2400 kg/m3. Para la albañilería se supuso un peso específico igual a 1900 kg/m3. En el análisis de losas se incluyó el peso de acabados de techo, estimado en 100 kg/m2. Las cargas vivas mínimas consideradas se resumen a continuación: Áreas de circulación 500 kg/m 2 Corredores y escaleras 500 kg/m 2 Para techos con estructura de concreto armado se supuso 100 kg/m2. Las coberturas livianas sobre estructuras metálicas se diseñaron para una carga viva de 30 kg/m2. Acciones de Sismo El análisis sísmico se realizó según la norma NTE E-030 (2003), con el procedimiento de superposición modal espectral, con combinación cuadrática completa (CQC). Considerando las condiciones de suelo, las características de la estructura y las condiciones de uso, se utilizaron los parámetros siguientes: Parámetros para el Análisis Sísmico Factor de zona (zona 3) Z = 0.4 Factor de uso e importancia (categoría B) U = 1.3 Factor de suelo (S3) S = 1.4 Período para definir espectro de seudo aceleración T p = 0.9 s Reducción de la respuesta: de acuerdo a la estructura (ver valores específicos en cada caso). Combinaciones de Carga La verificación de la capacidad de los elementos de concreto armado se basó en un procedimiento de cargas factoradas, conforme a la Norma Técnica de Edificación E- 060 "Concreto Armado". Los factores de carga se indican en la tabla siguiente. D denota cargas permanentes, L cargas vivas, S x y S y efectos de sismo.
Combinación D L S x S y 1 1.5 0 0 0 2 1.5 1.8 0 0 3 1.5 1.8 0 0 4 1.25 0 ±1.00 0 5 1.25 1.25 ±1.00 0 6 1.25 1.25 ±1.00 0 7 1.25 0 0 ±1.00 8 1.25 1.25 0 ±1.00 9 1.25 1.25 0 ±1.00 10 0.9 0 ±1.00 0 11 0.9 0 0 ±1.00 7. VESTÍBULO DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA Existen 2 vestíbulos, uno en el sector troncal y el otro en el sector alimentador. Los dos son estructuras simétricas por lo que es suficiente con analizar sólo uno. Es un edificio de dos pisos, que incluye en el primer piso, 1 Hall, 1 vestíbulo propiamente dicho, 1 puesto de control, 1 ambiente para el grupo electrógeno, 1 S.S.H.H. para varones (6 baterías), 1 S.S.H.H. para damas (6 baterías) y 4 escaleras metálicas. En el segundo nivel se encuentra el mezanine para el acceso al puente peatonal. El techo tiene una inclinación de aproximadamente 10%. El área techada del edificio es del orden de 650m2 y tiene unas alturas de entrepiso promedio de 6m en el primer nivel y de 4.70m en el segundo. En las dos direcciones se tiene una configuración estructural dual, con muros de corte de concreto armado y pórticos de estructura metálica. El mezanine esta conformado por una losa maciza de concreto armado de 20 cm de espesor. El techo del hall es de tijerales metálicos y el del mezanine es una cúpula de estructura metálica. 8. ANÁLISIS SÍSMICO Acciones de Sismo El análisis sísmico se realizó según la norma vigente, NTE E-030 (2003), con el procedimiento de superposición modal espectral. Se trabajó con la combinación cuadrática completa (CQC), con 5% de amortiguamiento. Considerando las condiciones de suelo, las características de la estructura y las condiciones de uso, se utilizaron los parámetros sísmicos que se listan en la tabla siguiente.
Parámetros para el Análisis Sísmico Factor de zona (zona 3) Z = 0.4 Factor de uso e importancia (categoría B) U = 1.3 Factor de suelo (S3) S = 1.4 Período para definir espectro de seudo aceleración T p = 0.9 s Reducción de la respuesta: Dual R = 6 Modelo para el análisis La figura siguiente muestra el modelo empleado para el análisis del vestíbulo, que incluye 1434 elementos de barra y 705 elementos tipo cáscara. También se indica el sistema de referencia. El modelo ha sido preparado teniendo como principal objetivo una estimación correcta de las rigideces laterales. Cabe anotar que el programa resuelve la aparente incompatibilidad entre distintos planos, en los que los nudos no siempre coinciden. Modelo para el análisis. Vista posterior
Modelo para el análisis. Vista frontal Estimación de Masas Las masas se evaluaron según lo especificado en la norma de Diseño Sismo Resistente E-030 y en la norma de Cargas E-020. Se incluyeron las masas de las losas, vigas, columnas y tabiquería, acabados de piso y techo y 50% de la sobrecarga máxima. En la tabla siguiente se indican las masas en cada nivel, la posición del centro de masas y del centro de rigidez (basándose en la distribución de fuerzas en altura resultante del análisis modal). La masa total, incluyendo la que no está asociada a los diafragmas, resultó ser 79.9 t s2/m. Centros de Masas y de Rigidez Nivel Masa Centro de masas Centro de Rigidez (t s 2 /m) X M (m) Y M (m) X R (m) Y R (m) 2 10.1 22.3 11.9 27.8 11.1 1 20.4 34.8 11.1 32.8 9.8 Modos de vibración La tabla siguiente indica los resultados obtenidos para períodos y frecuencias naturales, así como las masas efectivas en cada dirección. Para el modelo se usaron 80 modos, pero sólo se muestran los más significativos. Resultados del Análisis Modal Modo Período Frecuencia (Hertz) Masa Efectiva (% de la Total) X Y 2 0.454 2.202 4.9871 0.0039 16 0.208 4.811 1.8836 4.0184
21 0.175 5.718 4.9472 12.7558 39 0.132 7.575 24.1436 0.0629 40 0.128 7.799 18.1591 0.0002 Total 99.9% 99.9% En la tabla precedente y en las figuras se observa que el modo 39 es el más importante en dirección longitudinal, mientras que en dirección transversal lo es el modo 21. Modo 39 - T = 0.132 s
Modo 21 - T = 0.175 s Fuerzas Globales Empleando las expresiones de la norma E030 para el análisis sísmico con fuerzas estáticas equivalentes, se tiene: Dir. Z U C S R ZUCS/R P (t) 90% V estático (t) V dinámico (t) X 0.4 1.3 2.5 1.4 6 0.303 705.6 192.4 143.3 Y 0.4 1.3 2.5 1.4 6 0.303 705.6 192.4 104.7 La norma E030 indica que, para cada una de las direcciones consideradas en el análisis, la fuerza cortante en la base del edificio no podrá ser menor que el 90 % del valor calculado con las fórmulas estáticas, tratándose de estructuras irregulares. Si fuera necesario incrementar el cortante para cumplir los mínimos señalados, se deberán escalar proporcionalmente todos los otros resultados obtenidos, excepto los desplazamientos. En este análisis se obtuvieron cortantes en la base menores que 90% del corte estático. Por ello fue necesario escalar las acciones sísmicas en las direcciones X e Y por 1.34 y 1.84 respectivamente. Modelo para el análisis y diseño de la losa del mezanine (Nivel +6.00) La figura siguiente muestra el modelo empleado para el análisis de la losa maciza del mezanine, que incluye 705 elementos tipo cáscara. También se indica el sistema de referencia.
Modelo para el análisis En las siguientes figuras se muestra el refuerzo obtenido para la losa. En anexo aparte se adjunta todos los resultados obtenidos.
Refuerzo superior dirección Y Refuerzo inferior dirección X
Refuerzo superior dirección Y Refuerzo inferior dirección Y
9. ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA CIMENTACIÓN Se muestra a continuación los cálculos efectuados en la cimentación.
A continuación se muestran los cálculos para el diseño de la columna C5 de la Cisterna 1. El refuerzo en las columnas nos da el mínimo 15cm 2. Se ha utilizado 8 varillas de 5/8 (15.84cm 2 ).
Refuerzo de columna (cm 2 ) Momentos M22 en muro de cisterna (t-m)
DISEÑO DE ZAPATAS COMBINADAS M.A.V. '03 3.6 3.6 Matellini - Vestìbulo Troncal 2.1-2.1 Columna C5- Cisterna 1 Componente Pd Pl Mx My x y (Pd+Pl)*x (Pd+Pl)*y x desp. y desp. 1 C5-1 1.85 0.2 0.90 0.45 1.7 0.8 2 M1 1.27 0.0 0.38 0.30 0.5 0.4 3 M2 7.03 0.29 3.05 0.30 21.4 2.1 4 C5-2 1.85 0.2 5.20 0.45 9.6 0.8 5 M3 0.45 5.20 1.10 2.3 0.5 6 M4 0.94 5.53 0.30 5.2 0.3 7 0.00 0.00 0.0 0.0 8 0.00 0.00 0.0 0.0 9 0.00 0.00 0.0 0.0 10 0.00 0.00 0.0 0.0 11 0.00 0.00 0.0 0.0 12 0.00 0.00 0.0 0.0 TOTAL 13.39 0.00 0.72 0.00 40.7 4.9 Resultantes P = 13.39 Mx = 0.72 Xcg = 3.04 A = 1.48 My = 0.00 Ycg = 0.37 NPT Y My Propiedades Geométricas de la zapata propuesta ηt = 0.8 kg/cm 2 Df S Asy b A = 5.26 m 2 Ix = 0.6131 Iy = 15.7558 Xcg = 3.163 m Stop = 0.613 Sder = 6.2098 Ycg = 0.500 m Sbot = 1.227 Sizq = 4.9817 hz Peso zap.= 5.0 t Peso tierra = 0.0 t ex = -0.12 S ey = -0.13 Elevación Planta Df = 0 m hz = 0.4 m 5.29 Esfuerzo adm. s/sismo = 8.0 t/m 2 Ev = P/A +- Pey/Sy = 4.94 OK 0.63 OK Esfuerzo adm. c/sismo = 10.7 t/m 2 Ev = P/A +- Pex/Sx = 3.83 OK 3.25 OK Esfuerzo último = 12.0 t/m 2 Esx2 = Ev +- Mxaba/Sy = 5.53 OK 0.05 OK Esfuerzo último neto = 3.8 t/m 2 Esx1 = Ev +- Mxarr/Sy = 3.77 OK 1.81 OK Esy1 = Ev +- Myizq/Sx = 3.83 OK 3.25 OK f c = 210 kg/cm2 Esy2 = Ev +- Myder/Sx = 3.83 OK 3.25 OK volado 1.00 m As (cm 2 ) M carga sism. Fact 6.67 t-m 6.03 D = 5.7 0.95 2.85 3.16 2.537 M último 6.01 t-m 5.41 S = 1.5 0.25 0.75 M último neto 1.91 t-m 1.69 Verificación en tracción t D Asx Mx X
10. ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS METÁLICAS Para el análisis se utilizó el programa SAP 2000. Para el diseño se hicieron hojas de Mathcad en donde se detalla los cálculos realizados. A continuación se muestran el modelo y los cálculos. Modelo general para el análisis de los tijerales El análisis del comportamiento del puente se realiza sobre un modelo matricial de barras con tres grados de libertad dinámicos. En todos los nudos se consideraron además los grados de libertad estáticos correspondientes. Para los elementos se tomaron en cuenta deformaciones por flexión, fuerza cortante y carga axial.
Modelo general de la estructura A continuación se presenta los modos de vibración principales de la estructura. Primer modo de vibración T = 0.38174 s La figura presenta el primer modo de vibración de la estructura, el cual corresponde a una flexión con respecto a un eje vertical.
Segundo modo de vibración T = 0.28829 s La figura muestra el segundo modo de vibración de la estructura, el cual corresponde a una flexión con respecto a un eje horizontal. Tercer modo de vibración T = 0.25356 s La figura muestra el tercer modo de vibración de la estructura, el cual corresponde a torsión.
Modelo general para el análisis de la cúpula
11. RECOMENDACIONES El tipo de cemento a utilizar para toda la obra será Pórtland Tipo I. El puente peatonal será montado en obra e izado hasta su posición final. Las placas de apoyo se vaciarán hasta el nivel +5.40 y se completarán luego de colocado el puente. Lima, Octubre de 2006