Método de cross, porticos, mayoración de cargas, análisis sismo resistente, Norma NSR-10 título A, y SAP
Evaluación de una estructura de 5 pisos por el método de Cross.
Tiempos Predeterminados MOST para Estudio del Trabajo II
Informe proyecto estructural
1. INFORME PROYECTO CALCULO DE ESTRUCTURAS
JORGE ANDRES GALLEGO AYALA
JORGE ALBERTO FORERO PARRADO
GEISSON JAVIER VEGA ROJAS
JUAN FELIPE MUÑOZ MORENO
GERSON DAVID CORTES RIVERO
UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
ANALISIS DE ESTRUCTURAS
INGENIERIA CIVIL (VI) SEMESTRE
MAYO 2017
2. 2
INFORME PROYECTO CALCULO DE ESTRUCTURAS
PRESENTADO A:
ING. SAULO ANDRES OLARTE BURITICA
JORGE ANDRES GALLEGO AYALA
JORGE ALBERTO FORERO PARRADO
GEISSON JAVIER VEGA ROJAS
JUAN FELIPE MUÑOZ MORENO
GERSON DAVID CORTES RIVERO
UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
ANALISIS DE ESTRUCTURAS
INGENIERIA CIVIL (VI) SEMESTRE
MAYO 2017
3. 3
TABLA DE CONTENIDO
Capítulo 1 Introducción e información general ................................................................. 1
Capítulo 2 Objetivos ............................................................................................................. 3
2.1. Objetivo general................................................................................................................... 3
2.2. Objetivos específicos ........................................................................................................... 3
Capítulo 3 Marco teórico...................................................................................................... 4
Capítulo 4 Metodología ..................................................................................................... 10
4.2. Avaluó de Carga..................................................................................................................... 12
4.2.1. Determinar Áreas (Método de la Bisectriz) ........................................................................ 13
4.2.2. Materiales a Utilizar............................................................................................................ 15
4.2.3. Carga Muerta Piso 1............................................................................................................ 16
4.2.4 Carga Muerta Piso 2,3 y 4.................................................................................................... 16
4.2.5 Carga Muerta Cubierta......................................................................................................... 16
4.2.6 Carga Viva “L” .................................................................................................................... 17
4.2.7 Combinacion de Cargas Mayoradas Piso 1 ......................................................................... 17
4.2.8 Combinacion de Cargas Mayoradas Piso 2,3 y 4 ................................................................ 18
4.2.9 Combinacion de Cargas Mayoradas Cubierta...................................................................... 18
4.2.10 Mayoracion Piso 1 ............................................................................................................. 18
4.2.11 Mayoracion Piso 2,3 y 4 .................................................................................................... 22
4.2.12 Mayoracion Cubierta.......................................................................................................... 26
4.3 Método de Cross Hardy .......................................................................................................... 31
4.4 Evaluación Estructural Por SAP200 VS19 ............................................................................. 82
Capítulo 5 Análisis de resultados y conclusiones ....................................................................... 1
Lista de referencias ....................................................................................................................... 2
4. 4
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1.Tipos de Cargas.......................................................................................................... 5
Ilustración 2. Ecuaciones Espectro de Diseño Sísmico .................................................................. 6
Ilustración 3. Vista en Planta Esquema a Analizar ....................................................................... 10
Ilustración 4. Perfil Esquema a Analizar ...................................................................................... 11
Ilustración 5. Vista Nodos............................................................................................................. 12
Ilustración 6. Areas Halladas ........................................................................................................ 15
Ilustración 7. Esquema de Secciones ............................................................................................ 31
Ilustración 8. Seccion Portico 1 .................................................................................................... 31
Ilustración 9. Seccion Portico 2 .................................................................................................... 35
Ilustración 10. Seccion Portico 3 .................................................................................................. 39
Ilustración 11. Seccion Portico 4 .................................................................................................. 44
Ilustración 12. Seccion Portico 5 .................................................................................................. 48
Ilustración 13. Seccion Portico 6 .................................................................................................. 53
Ilustración 14. Seccion Portico 7 .................................................................................................. 56
Ilustración 15. Seccion Portico 8 .................................................................................................. 60
Ilustración 16. Seccion Portico 9 .................................................................................................. 67
Ilustración 17. Seccion Portico 10 ................................................................................................ 72
Ilustración 18. Seccion Portico 11 ................................................................................................ 78
Ilustración 19. Vista en Planta Modelo Analizado ....................................................................... 82
Ilustración 21. Momento Flector y Cortante Sección 1 ................................................................ 84
Ilustración 22. Momento Flector y Cortante Seccion 2 ................................................................ 85
Ilustración 23. Momento Flector y Cortante Sección 3 ................................................................ 86
Ilustración 24. Momento Flector y Cortante Sección 4 ................................................................ 87
Ilustración 25. Momento Flector y Cortante Sección 5 ................................................................ 88
Ilustración 26. Momento Flector y Cortante Seccion 6 ................................................................ 89
Ilustración 27. Momento Flector y Cortante Seccion 7 ................................................................ 90
Ilustración 28. Momento Flector y Cortante Sección 8 ................................................................ 91
Ilustración 29. Momento Flector y Cortante Sección 9 ................................................................ 92
Ilustración 30. Momento Flector y Cortante Seccion 10 .............................................................. 93
Ilustración 31. Momento Flector y Cortante Sección 11 .............................................................. 94
5. 1
Capítulo 1
Introducción e información general
En análisis de estructuras, a los efectos del estudio de las solicitaciones, se distingue entre
estructuras isostáticas e hiperestáticas. Particularizando al caso de estructuras cuyo estudio
puede esquematizarse en el plano, las condiciones analíticas de equilibrio de un sistema de
fuerzas son tres: proyección de las fuerzas sobre dos ejes cualesquiera debe ser cero, y momento
respecto a cualquier punto del plano también debe ser nulo. Las estructuras cuyos sistemas de
fuerzas actuantes pueden ser equilibradas, en sus vínculos exteriores, recurriendo solamente a
la aplicación de las tres ecuaciones anteriormente indicadas, se llaman isostáticas.
Estas estructuras presentan los mínimos vínculos para ser estables. Las estructuras que no
pueden ser resueltas solamente con la aplicación de las ecuaciones de equilibrio, se llaman
hiperestáticas. En este caso debe recurrirse a ecuaciones complementarias que expresen
condiciones de deformaciones. La distinción entre estructuras isostáticas e hiperestáticas es
solamente a los efectos de su análisis. En general, no interesa, como determinante, en el
momento de la ideación de la estructura resistente y que sea acorde con un determinado planteo
arquitectónico. (Una excepción lo constituyen ciertos tipos de suelos que pueden aconsejar el
diseño de una estructura isostática, o hiperestática de menor grado). En el caso de tramos
solicitados por flectores axiles y cortantes, que provocan giros, acortamientos o alargamientos,
y distorsiones, las únicas deformaciones que se considerarán son los giros; se desprecian los
restantes.
En base a la arquitectura proporcionada y requerimientos dadas por el tutor se plantea el cálculo
practico y experimental de una estructura basada en un sistema de vigas y columnas que
formaran los pórticos y muros de albañilería confinada con pórticos de concreto armado, de tal
manera que se pueda integrar ambos sistemas. Se optó por colocar elementos de concreto
armado en ambas direcciones con el fin de disminuir los efectos de la carga lateral por sismo,
es decir, disminuir los desplazamientos laterales y sus respectivas distorsiones. El análisis
estructural se basará en un modelo matemático por elementos finitos tridimensionales mediante
6. 2
láminas que toman corte, carga axial y flexión fuera del plano de dichos elementos con el fin de
lograr una mayor comprensión del diseño realizado. El cálculo se basa en métodos racionales
(Método de Cross) de acuerdo a las expresiones encontradas en las normas estructurales vigentes
y referencias. Aquí se tomaron en cuenta las diferentes posibilidades de distintos estados de
cargas sobre la estructura y el estudio de los elementos más desfavorables. Las edificaciones
están estructuradas y diseñadas de manera tal de lograr un buen comportamiento frente a los
sismos.
Dada las condiciones anteriores se plantea presentar un informe detallado de cálculos básicos
de estructuras de acuerdo a las temáticas estudiadas durante el presente curso la cual serán
expuestas.
7. 3
Capítulo 2
Objetivos
2.1. Objetivo general
Determinar los cálculos y análisis de carga para una estructura.
2.2. Objetivos específicos
Realizar avaluó de carga de la estructura.
Determinar el espectro de diseño sismo resistente de acuerdo a la NSR-10.
Observar y calcular el comportamiento de la estructura debido a las cargas ejercidas,
por el método de Cross y de SAP2000.
Realizar la evaluación espectral y sísmica.
8. 4
Capítulo 3
Marco teórico
3.1. Carga
La resistencia de las estructuras existentes se puede evaluar de forma analítica o experimental.
La aplicabilidad del procedimiento analítico depende de si el origen de la deficiencia es crítico
para la resistencia de la estructura bajo: (1) carga de flexión y/o axial, o (2) corte y/o adherencia.
Las cargas que actúan sobre las estructuras pueden dividirse en tres grandes categorías, carga
muerta, cargas vivas y cargas ambientales.
Las cargas muertas son aquellas que se mantiene constantes en magnitud y fijas en posición
durante la vida de la estructuras. Generalmente la mayor parte de la carga muerta es el peso
propio de la estructura. Este puede calcularse con buena aproximación a partir de la
configuración de diseño, de las dimensiones de la estructura y de la densidad del material. Para
edificios, los rellenos y los abavados de entrepiso, y cielo rasos se toma usualmente como carga
muertas incluyendo una consideración para cargas suspendidas tales como ductos, apartaos y
accesorios de iluminación.
Las cargas muertas consisten en los pesos de los diversos miembros estructurales y en los pesos
de cualesquiera objetos que estén permanente me unidos a la estructura. Entonces para un
edificio, las cargas muertas comprenden los pesos de las columnas, vigas y trabes, losas de pisos,
el techo, muros, ventanas, plomería, instalaciones eléctricas y otros dispositivos diversos.
Se consideran cargas vivas las fuerzas gravitaciones, que obra en una construcción y que tiene
carácter permanente.
Consiste principalmente en cargas de ocupación en edificios y cargas de tráfico en puentes.
Estas pueden estar total o parcialmente en su sitio o no estar presente, y pueden cambiar de
ubicación. Su magnitud y distribución son inciertas en un momento dado, sus máximas
intensidad a lo largo de la vida de la estructura no se conocen con presión, las cargas vivas
mínimas par a las cuales deben diseñarse los entre pisos y cubiertas de un edificio se especifica
usualmente en la NSR-10 la aplica para la construcción en Colombia.
Las cargas ambientales consisten principalmente en cargas de nueve, presión y succión de
viento, cargas sísmicas (fuerzas inerciales causadas por movimientos sísmicos), presiones de
suelo en las porciones subterráneas de estructuras, cargas de posible empuzamientos de agua
lluvia sobre superficies planas y fuerzas causadas por cambios de temperatura. Al igual que las
cargas vivas, las cargas ambientales son inciertas tanto en la magnitud como distribución,
1. Carga Muerta
2. Carga Empuje Lateral del Suelo
3. Presion Hidraulica
4. Carga Viva
5. Carga Por Nieve
6. Carga Pluvial
9. 5
Ilustración 1.Tipos de Cargas
Para realizar y determinar las cargas de la estructura es necesario remitirnos a la norma NSR-
10 Titulo B “Cargas “las cuales nos muestra la forma en que debemos realizar este cálculo, la
cual se le conoce como “Combinación de Cargas Mayoradas” usadas por el método de
Resistencia, la cuales a través de unas formulas y después de haber tomado en cuenta las cargas
se remplazan en las siguientes ecuaciones:
D: Carga muerta
F: Carga debidas al peso y presión de fluidos.
T: Fuerzas y Efectos de Temperatura
L: Carga Viva
H: Carga Empuje Lateral del Suelo
Lr: Carga Viva Sobre Cubierta
G: Carga debida a Granizo
Le: Carga Empozamiento de Agua
W: Carga de Viento
E: Fuerza Sismica
3.2. Análisis Dinámico
10. 6
La Dinámica de Estructuras en un área del análisis mecánico de las construcciones que estudia
el efecto de las acciones externas que producen vibraciones. Su desarrollo comienza en el siglo
XIX con las investigaciones de Lord Rayleigh sobre los efectos del sonido en cuerpos elásticos,
las cuales aún tienen validez. Actualmente, esta área de la Mecánica presenta un estado
avanzado de desarrollo, pues se ha logrado establecer métodos de cálculo para estructuras
lineales o no lineales sometidas a acciones deterministas o aleatorias. Por su naturaleza compleja
y especializada muchos de estos desarrollos suelen estudiarse en cursos de posgrado. Sin
embargo, dada la importancia del tema en zonas sísmicas, conviene realizar un curso
introductorio en el currículo básico de Ingeniería Civil, ya que las acciones sísmicas suelen ser
dominar ampliamente el diseño de estructuras, tanto en su concepción como en los valores
numéricos definitivos. Por este motivo se ha escrito este texto como apoyo a un curso de tal
naturaleza.
Para los cálculos del espectro sismoresistencia para la estructura se deben tener en cuenta
variables de lugar donde se va a llevar a cabo la construcción o el diseño de la estructura, la este
parámetro fue dado por el tutor, además desarrollar las formulas dadas en la NSR-10 Titulo A:
Ilustración 2. Ecuaciones Espectro de Diseño Sísmico
3.3. Método de Hardy Cross
El poder entender y manejar el conocimiento de los modelos estructurales requiere contar con
11. 7
herramientas que nos permitan evaluar las tensiones que se generan en los elementos
componentes del sistema.
Estas herramientas de evaluación se basan en modelos físicos, que se establecen sobre esos
elementos y que buscan representar los fenómenos tensionales (comportamiento tensional,
deformaciones) mediante procedimientos y ecuaciones matemáticas.
El método de Cross es un método iterativo, tiene la ventaja de estar planteado como una sucesión
de grupos de fases de cálculo, si a partir de un cierto punto se siguen repitiendo alguna de los
gases de cálculo “transmisión” y “reparto” de momentos la solución va convergiendo hacia la
solución exacta. Esto era muy importante en las primeras décadas de uso del método, cuando
no existían ordenadores disponibles para el cálculo estructural. La llegada de ordenadores y la
existencia de algoritmos eficientes para resolución de sistemas con un elevado número de
ecuaciones, hicieron aparecer alternativas al método de Cross que al menos hasta los años 1960,
fue el principal método de cálculo. En la actualidad la mayor parte del software estructural usa
el método matricial de la rigidez, que es más sencillo de programar.
Hardy Cross no desarrolló una versión tridimensional de su método, por lo que en gran parte el
método se empleó para estructuras planas. Aunque añadiendo la noción de rigidez torsional es
generalizable a tres dimensiones. El método de Cross puede dividirse en una serie fases o etapas
de cálculo (siendo las últimas de ellas reiterables, hasta obtener la precisión deseada). Las etapas
son:
1. Etapa previa de cálculo de los momentos de empotramiento fijos, así como cálculo de
los coeficientes de transmisión y distribución. Esta etapa se realiza sólo una vez.
2. Etapa de distribución de momentos,dentro de cada nundo se suman todos los momentos
aplicados, cuando la suma no es cero el nudo estará desequilibrado y será necesario
producir un giro que deformará los elementos estructurales convergentes a dicho nudo.
Tras la aparición de giros y deformaciones aparecerán momentos elásticos que deben
calcularse. Estos se calculan "repartiendo" o distribuyendo el momento de desequilibrio
entre las barras de acuerdo a los coeficientes de reparto que dependen de las rigideces
relativas. El elemento más rígido es que el que asumirá la mayor parte del momento de
desequilibrio. A esta fase le siguie siempre la fase de transmisión de momentos.
3. Etapa de transmisión de momentos, una vez planteado el equilibrio parcial de los nudos
mediante la aparición de fuerzas elásticas que se oponen a los giros, debe tenerse en
cuenta que en cada barra no se puede deformar un nudo extremo sin que el otro sufra
una variación de esfuerzos. El cálculo de esas variaciones es la llamada transmisión de
esfuerzos, a partir de lo momento repartidos en la fase anterior es necesario ver que
momentos inducen en los nudos conectados por vigas o pilares. Estos nuevos momentos
se denominan momentos transmitidos.
La nueva transmisión de momentos hace que aparezcan nuevos desequilibrios en los nudos que
deben repartirse de nuevo y volver a la etapa 2. Una virtud del método es que al ir repitiendo las
fases 2 y 3, en cada iteración los momentos son sustancialmente menores (al ser los coeficientes
12. 8
de reparto y transmisión menores que la unidad) y se logra convergencia en términos prácticos
después de un número relativamente bajo de iteraciones.
En disposición de aplicar el método de redistribución de momentos para analizar una estructura,
lo siguiente debe ser considerado.
Momentos de empotramiento en extremos fijos
Momentos de empotramiento en extremos fijos son los momentos producidos al extremo del
miembro por cargas externas cuando las juntas están fijas.
Rigidez a la Flexion
La rigidez a la flexión es la propiedad que tiene un elemento que le permite resistir un límite de
esfuerzos de flexión sin deformarse. La rigidez flexional (EI/L) de un miembro es representada
como el producto del módulo de elasticidad (E) y el Segundo momento de área, también
conocido como Momento de Inercia (I) dividido por la longitud (L) del miembro, que es
necesaria en el método de distribución de momentos, no es el valor exacto pero es la Razón
aritmética de rigidez de flexión de todos los miembros.
Coeficientes de distribución
Los coeficientes de distribución pueden ser definidos como las proporciones de los momentos
no equilibrados que se distribuyen a cada uno de los miembros. Un momento no equilibrado en
un nudo, es distribuido a cada miembro concurrente en él, esta distribución se hace directamente
proporcional a la rigidez a la flexión que presenta cada uno de estos miembros.
Coeficientes de transmisión
Los momentos no equilibrados son llevados sobre el otro extremo del miembro cuando se
permite el giro en el apoyo. La razón de momento acarreado sobre el otro extremo entre el
momento en el extremo fijo del extremo inicial es el coeficiente de transmisión.
Valores típicos:
0,5 para nodos sin empotramiento
0 para nodos empotrados
Convención de signos
Un momento actuando en sentido horario es considerado positivo. Esto difiere de la [convención
de signos] usual en ingeniería, la cual emplea un sistema de coordenadas cartesianas con el eje
positivo X a la derecha y el eje positivo Y hacia arriba, resultando en momentos positivos sobre
el eje Z siendo antihorarios.
Estructuras de marcos
13. 9
Estructuras de marcos con o sin ladeo pueden ser analizadas utilizando el método de
distribución de momentos.
14. 1018.00
Capítulo 4
Metodología
4.1. Descripción General
Ilustración 3. Vista en Planta Esquema a Analizar
En base a la estructura proporcionada y requerimientos se plantea la estructura se basada en un
sistema de vigas y columnas que formaran los pórticos y muros de albañilería confinada con
pórticos de concreto armado, de tal manera que se pueda integrar ambos sistemas. Se optó por
colocar elementos de concreto armado en ambas direcciones con el fin de disminuir los efectos
de la carga lateral por sismo, es decir, disminuir los desplazamientos laterales y
15. 11
sus respectivas distorsiones.El análisis estructural se basará en un modelo matemático por ele
mentos finitostridimensionales mediante láminas que toman corte, carga axial y flexión fuera
del plano de dichos elementos con el fin de lograr una mayor comprensión del diseño realizado.
El cálculo se basa en métodos racionales de acuerdo a las expresiones encontradas en las normas
estructurales vigentes y referencias. Aquí se tomaron en cuenta las
diferentesposibilidades de distintos estados de cargas sobre la estructura y el estudio de losele
mentos más desfavorables.Las edificaciones están estructuradas y diseñadas de manera tal de l
ograr un buencomportamiento frente a los sismos, siguiendo los lineamientos establecidos NS
R10.
Ilustración 4. Perfil Esquema a Analizar
La cimentación de las edificaciones es de tipo superficial con zapatas y vigas decimentación,
las cuales se proyectan sobre cimientos convencionales de concreto simple para recibir los
muros de albañilería. Para la estructuración en el sentido longitudinal del módulo principal se
16. 12
A B C
D
E F G
I J K
H
L
M N O P
Q
R S T U
V W
han utilizado pórticos con columnas y vigas de concreto armado con la rigidez apropiada para
controlar los desplazamientos laterales de entrepiso y en el sentido transversal se han utilizado
muros de albañilería confinada en aparejo de cabeza. El sistema estructural considerados dual
debido a que los muros de corte absorben el 75% del cortante en la base de la
edificación. Además de las cargas de sismo se han considerado las cargas por gravedad teniendo
en cuenta la Norma Técnica de Edificación E.020 referente a cargas. Los techos son de tipo
convencional con losas aligeradas de 0.20 m. de espesor.
Para el presente modelo estructural se procedió de la siguiente manera:
1) Análisis de Cargas o Avaluó de Carga Por el Método de Mayoración de Carga
2) Determinar el Espectro de Diseño Sismoresistente
3) Realizar Calculo Estructural Por El Método de Hardy Cross
4) Determinar Evaluación Espectral y Sísmica
4.2. Avaluó de Carga
Ilustración 5. Vista Nodos
19. 15
Ilustración 6. Areas Halladas
4.2.2. Materiales a Utilizar
Material Densidad (KN/m2)
Concreto Reforzado 24
Alistado de Placa 23
Cielo Raso 0,0080 ( por mm de espesor)
Baldosa Ceramica 0,80
Cubierta Placa 24
Mampostería 3,10
Ventanas y Puertas 0,45
20. 16
4.2.3. Carga Muerta Piso 1
Carga Muerta Carga KN/m2
Placa (0,20 m) 4,8
Cielo Raso (0,04 m) 0,032
Alistado ( 0,03 m) 0,69
Ceramica 0,80
Muro (0,2 m) 5,55
Ventanas 0,45
Puertas 0,45
Total Carga = 12,772 KN/m2
4.2.4 Carga Muerta Piso 2,3 y 4
Carga Muerta Carga KN/m2
Placa (0,20 m) 4,8
Cielo Raso (0,04 m) 0,032
Alistado ( 0,03 m) 0,69
Ceramica 0,80
Muro (0,2 m) 4,44
Ventanas 0,45
Puertas 0,45
Total Carga = 11,662 KN/m2
4.2.5 Carga Muerta Cubierta
Carga Muerta Carga KN/m2
Placa (0,17 m) 4,08
Cielo Raso (0,04 m) 0,032
Alistado ( 0,03 m) 0,69
Ceramica 0,80