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Manual Básico De Análisis Y Diseño Estructural Con ETABS empleando el Reglamento Nacional de Edificaciones Editado por Richard Vicente Quispe Castillón ([email protected]) QuispeC.S.A.C. QuispeC MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS Presentación Este manual está basado en apuntes...

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Manual Básico De Análisis Y Diseño Estructural Con ETABS empleando el Reglamento Nacional de Edificaciones Daniel Ruiz Polanco Manual Basico ETABs

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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUIT ECT URA ESCUELA DE INGE… Jhon Copa DISEÑO DE ELEMENT OS EST RUCT URALES EN EDIFICIOS DE CONCRET O REFORZADO Yarit za Maleny Abello Campos T ESIS PUCP Raul Tumbay Viviano

Manual Básico De Análisis Y Diseño Estructural Con ETABS empleando el Reglamento Nacional de Edificaciones

Editado por Richard Vicente Quispe Castillón ([email protected])

QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS

QuispeC

Presentación

Este manual está basado en apuntes, recopilación bibliográfica de libros, artículo técnico y el reglamento vigente hasta la fecha relacionados al análisis de edificaciones de concreto armado, empleando el software de análisis computacional ETABS. El objetivo de este manual es desarrollar una metodología de empleo del software para el análisis de estructuras de concreto armado empleando el reglamento nacional de edificaciones, empleando ejemplos prácticos y aplicados en el campo de la ingeniería civil.

En los primeros Capítulos veremos los datos necesarios que debemos obtener para el análisis de edificaciones, en los últimos capítulos se darán ejemplos aplicativos de análisis de edificaciones.

Richard Vicente Quispe Castillón Huancayo, 2010

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS

Contenido Capitulo Uno (Análisis de la estructura) I.

II.

III.

IV.

Análisis del plano Arquitectónico 1. Categoría de la obra 2. Configuración Estructural 3. Sistema Estructural 4. Cargas 5. Material 6. Esquematización Dimensionamiento 1. Dimensionamiento de Losas 2. Dimensionamiento de vigas 3. Dimensionamiento de Columnas 4. Dimensionamiento de muros o placas Metrado De Cargas 1. Metrado de Cargas Distribuidas en Áreas 2. Metrado de Cargas Distribuidas lineales 3. Metrado de Cargas puntuales Análisis Dinámico empleando espectro respuesta 1. Definición de la Masa Concentrada 2. Ubicación de la Masa Concentrada 3. Espectro Respuesta según RNE

Capitulo Dos (Introducción a Etabs) I.

Familiarización al entorno del programa ETABS

II.

Edificio de 4 pisos

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QuispeC

CAPITULO UNO (Análisis de la Estructura)

QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

I.

QuispeC

Análisis del plano Arquitectónico Para una buena estructuración se deberá de buscar una buena configuración tanto en planta como en elevación, es decir, buscar estructuras regulares y no irregulares, en caso contrario tomar medidas en el diseño y verificar que cumplan los desplazamientos y torsiones entre pisos que indican las normas correspondientes. De la arquitectura se tendrá que sacar los siguientes datos: 1. Categoría de la obra: se indicara en que categoría se encuentra la estructura, según la norma E.030 artículo 10.

(Fuente RNE)

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

QuispeC

2. Configuración Estructural: se indica si la estructura presenta irregularidad en planta como en altura con el fin de determinar el procedimiento adecuado de análisis y los valores apropiados del factor de reducción de fuerza sísmica, tal como lo indica en la norma E.030 artículo 11. a. Estructuras Regulares. Son las que no tienen discontinuidades significativas horizontales o verticales en su configuración resistente a cargas laterales. b. Estructuras Irregulares. Se definen como estructuras irregulares aquellas que presentan una o más de las características indicadas en la Tabla N°4 o Tabla N° 5.

(Fuente RNE)

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

QuispeC

3. Sistema Estructural: Se definirá el mejor sistema estructural para el proyecto de acuerdo al material, tecnología, etc. existentes en el lugar de la obra, esta clasificación se realizara según la norma E.030 artículo 12.

(Fuente RNE)

4. Cargas: Se obtendrá las cargas que actúan en la edificación, clasificándolo en cargas vivas, muertas, de viento, de presión entre otras, para esto emplearemos la Norma E.020 de cargas.

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

QuispeC

(Fuente RNE)

5. Material: Se tendrá que definir las propiedades de los elementos a emplearse, tales como, las vigas, las columnas, las zapatas, la albañilería, entre otros. Ej.: -

Zapatas: Concreto Reforzado, f’c = 210 Kg/cm2. Columnas: Concreto Reforzado, f’c = 210 Kg/cm2. Viga: Concreto Reforzado, f’c = 210 Kg/cm2. Losa maciza: Concreto Reforzado, f’c = 210 Kg/cm2. Acero de grado 60 = 4,200 Kg/cm2. Muro de Albañilería = 60 Kg/cm2.

6. Esquematización: Se deberá definir los ejes por donde pasaran los ejes, las alturas de las columnas, es decir, se tendrá que plantear la mallas en 3D -

En Planta: los ejes deberán pasar por el centro de gravedad de las columnas definidas.

Fig. 1.1

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

-

QuispeC

En elevación: para representar la elevación hay 2 procedimientos. El primero caso: consisten comenzar desde el punto de empotramiento de la columna generalmente ese punto es la parte superior de la zapata. En algunos casos se pude considerar que el piso y el falso piso generen otro punto de empotramiento, en tal caso se podría considerar es punto como el inicial. Para ser más conservador se asumirá que en punto de empotramiento es la parte superior de la zapata. Para el resto de los pisos se considera que el eje pasara por el centro de gravedad de la viga (ver fig. 1.2). El segundo caso: se tiene la misma consideración para el apoyo que el caso anterior, con la diferencia que para el resto pisos el eje pasara por encima de la viga (ver fig. 1.3).

Fig. 1.2

Fig. 1.3

Este método es aplicado debido a que ETABS colocara la viga la viga justo por debajo del eje de pisos. La diferencia de alturas entre el primer caso y el segundo caso es minino se puede trabajar con el que más le perezca conveniente. Nota: en caso de existir vigas de cimentación el apoyo no será empotrado sino fijo y se tendrá que representar la viga de cimentación en al nivel del apoyo.

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

QuispeC

Ejemplo: A continuación se muestra una edificación en planta y elevación y sus respectivas propiedades

Primera planta

Segunda Planta

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

Elevación

Corte

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QuispeC

QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

QuispeC

1. Esquematización: a. En Planta:

b. En Elevación:

CALIFICACIÓN 2. Categoría de la obra 3. Configuración Estructural 4. Sistema Estructural: 5. Cargas:

6. Material:

DESCRIPCIÓN “A” “Estructura Regular” Concreto Armado Pórtico Carga viva Aulas = 300 kg/cm2 Corredores = 400 kg/cm2 En techo = 50 kg/cm2 Carga muerta Tabiquería = 100 kg/cm2 Acabados = 100 kg/cm2 LOSA Aulas = 300 kg/cm2 Arcilla cocida sólidas = 1800 kg/cm3 Zapatas: Concreto Reforzado, f’c = 210 Kg/cm2. Columnas: Concreto Reforzado, f’c = 210 Kg/cm2. Viga: Concreto Reforzado, f’c = 210 Kg/cm2. Losa maciza: Concreto Reforzado, f’c = 210 Kg/cm2. Acero de grado 60 = 4,200 Kg/cm2.

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

II.

QuispeC

Pre dimensionamiento 1. Dimensionamiento de Losa: Para el dimensionamiento de la losa se tendrá las cargas que convergen en ella y también la luz de los paños. Para este casos se dan las siguientes recomendaciones de según la luz de la losa, en caso de la losa sea reforzado en ambos sentidos el largo no deberá ser mayor a dos veces el ancho.

LUZ Menor a 4 m 5-5.5. m 5-6.5 m 6-7.5 m

LUZ 6.5-7.5 m 7 - 8.5 m

LOSAS ALIGERADAS EN UNA DIRECCIÓN PARA S/C HASTA 350 KG/CM2 PERALTE ESPESOR DE ESPESOR DE (cm) CONCRETO (cm) LADRILLO (cm) 17 5 12 20 5 15 25 5 20 30 5 25

LOSAS ALIGERADAS EN DOS DIRECCIONES PARA S/C HASTA 350 KG/CM2 PERALTE ESPESOR DE ESPESOR DE (cm) CONCRETO (cm) LADRILLO (cm) 25 5 20 30 5 25

LOSAS NERVADA EN UNA DIRECCIONES PERALTE ANCHO SEPARACIÓN (cm) (cm) ENTRE EJES (cm) Menor a 7.5 m 35 10 - 15 70 Menor a 8.5 m 40 10 - 15 70 Menor a 9.5 m 50 10 - 15 70 LUZ

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

QuispeC

LOSA MACIZA EN UNA DIRECCIÓN LUZ PERALTE (cm) Menor a 4 m 12 Ó 13 Menor a 5.5 m 15 Menor a 6.5 m 20 Menor a 7.5 m 25 Para losa que posean mayores cargas se recomienda elegir el inmediato superior en peralte para un adecuado diseño.

2. Dimensionamiento de Vigas: El dimensionamiento de la viga se realizar teniendo en cuenta el efecto sismo resistente por lo cual las vigas principales como las secundarias tendrán el mismo peralte con la única diferencia de que las principales tendrán un mayor ancho. La forma más usual de dimensionar de los elementos son dividiendo la luz libre entre un factor para el peralte y el ancho tomando un promedio entre 25 a 50 cm de ancho.

TIPO DE COBERTURA LIVIANA NORMAL Donde: l es la luz libre de viga

PERALTE l/14 l/10 ó l/12

Se indica a continuación dimensiones usuales en vigas.

LUZ Menor a 5.5 m Menor a 6.5 m Menor a 7.5 m Menor a 8.5 m Menor a 9.5 m

SECCIONES 25x50, 30x50 25x60, 30x60, 40x60 25x70, 30x70, 40x70, 50x70 30x75, 40x75, 30x80, 40x80 30x85, 30x90, 40x85, 40x90

(Edificaciones y estructuración de edificaciones de concreto armado de Antonio Blanco Blasco)

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

QuispeC

3. Dimensionamiento de Columnas: las columnas serán dimensionadas asumiendo que soportan carga axial tal como se muestra a continuación Para columnas centrales: 𝑃𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜 𝐴𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 = 0.45𝑓′𝑐 Para columnas exteriores o esquineras:

𝐴𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 =

𝑃𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜 0.35𝑓′𝑐

Para edificaciones hasta 3 ó 4 pisos se recomendara usar un área de 1,000 cm2 a 2,000 cm2, y según RNE no será menor 30x30cm2 para elementos que pertenezcan al pórtico. Las secciones más comunes empleadas son 30x30, 35x35, 40x40 25x50, 30x60, 30x40, 30x50, o circulares de 40 ó 50 cm de diámetro. Nota: la relación entre la longitud más larga y la más corta deberá menor o igual 4(𝑡/𝑏 ≤ 4)

4. Dimensionamiento de Muros ó Placas: Para el dimensionamiento del ancho se asumirá como mínimo hasta 10 cm, pero, generalmente se toma el espesor de muro para no producir distorsiones en la arquitectura, para edificaciones de grandes alturas se optara por dimensiones de 20, 25, 30, 40, 50, 60 cm. Por experiencia se sabe que hasta un máximo de 20 pisos se puede emplear un espesor de 25cm. La longitud de la placa no se puede pre dimensionar ya está en función de fuerza sísmica que actué en la estructura, por lo tanto, esta longitud deberá ser definida por el ingeniero estructurita. Nota: la relación entre el largo y el espesor deberá mayor o igual 4(𝑙/𝑒 ≥ 4)

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

QuispeC

III. Metrado de Cargas A diferencia de otro software de análisis el ETABS trabaja perfectamente con cargas distribuidas sobre elementos planos como losa, muros etc. 1. Metrado de Cargas Distribuidas en Áreas: Se considera generalmente cargas como de acabados tabiquería y sobrecargas y entre otros sobre la losa.

2. Metrado de Cargas Distribuidas lineales: Se considerara cargas Muros portantes y similares que afecten directamente a las vigas.

3. Metrado de Cargas puntuales Se considerara cargas de elementos que se apoyen en un punto especificado sobre las vigas o columnas como las cargas de tijerales y otros.

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

IV.

QuispeC

Análisis Dinámico empleando espectro respuesta Para obtener la fuerza sísmica que actúa en cada nivel se deberá conocer la masa concentrada en cada nivel y su respectiva posición, también será necesario conocer la aceleración producida por el espectro en cada sentido de la edificación (aX, aY) 1. Definición de la Masa Concentrada: La masa a tomar en cuenta será el 100% de masa muerta más un porcentaje de la masa viva, este porcentaje esta en el artículo 16.3 de la E.030 del RNE

(Fuente RNE)

2. Diafragma Rígido: Por lo general, los pisos horizontales en cualquier nivel son modelados como un diafragma horizontal rígido, con una rigidez infinita en su plano, pero sin rigidez fuera de su plano. Pueden haber uno o más elementos Floor Diaphragms (diafragmas) asociados con un solo nivel o piso, como se muestra en la Figura 3. Este plano horizontal está conectado a los ejes de columnas asociados con el diafragma. En consecuencia, todos los ejes de columnas conectados a un diafragma rígido no podrían tener desplazamientos independientes entre sí. Algunos ejes de columnas pueden ser desconectados del diafragma rígido, para permitir desplazamientos independientes en las columnas. Un elemento diafragma puede tener rigidez infinita, no tener rigidez o tener una rigidez intermedia, mediante el uso de elementos flexibles. Los diafragmas rígidos deben ser horizontales; los diafragmas flexibles pueden tener una inclinación. Las masas requeridas para el análisis dinámico están asociadas con los diafragmas rígidos. Las masas son concentradas en los centros de masas de los diafragmas correspondientes. Las

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

QuispeC

masas de los elementos son incluidos automáticamente en una masa de diafragma conjunto, con la contribución correspondiente a los momentos de inercia de masa. El número de elementos diafragma en un nivel particular dependerá de la distribución de masas en el piso.

Centro del diagrama rígido

(Fuente: MODELAMIENTO DE ESTRUCTURAS MEDIANTE PROGRAMAS DE CÓMPUTO)

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO I

QuispeC

1. Espectro Respuesta Según RNE: Para obtener el espectro se recurrirá al E.030 del RNE. De la cual se regenerara de la siguiente manera, tanto en el eje X-X como en el eje Y-Y

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CAPITULO dos (Introducción a Etabs)

QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO II

I.

Familiarización al entorno del programa ETABS La interface grafica del usuario de ETABS que se muestra en la Figura 3-1 incluye la ventana principal, barra principal, barra de exhibición de titulo, barra de menú, barra de Herramientas, ventanas de exhibiciones, barra de estado, coordinar la posición del apuntador del mouse y las unidades en uso. Cada uno de estos elementos se describe en la lista enumerada que se presenta a continuación. BARRA DEL MENÚ BARRA DE TITULO

BARRA DE HERRAMIENTAS Y BOTONES

VENTANAS DE EXHIBICIÓN

VENTANAS DE EXHIBICIÓN

COORDENADAS DE LA POSICIÓN OPCIÓN DE DIBUJO DEL CURSOR DEL MOUSE

UNIDADES EN CURSO

SISTEMA DE COORDENADAS

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO II Barra Principal Esta barra incluye el programa y los nombres de los modelos. La barra principal esta resaltada cuando el programa está en uso. La ventana principal puede moverse dando clic izquierdo al mouse en la barra principal y sosteniendo el botón del mouse mientras se arrastra la ventana por la pantalla. Barra del Menú. La barra del menú contiene todos los menús del programa. Barras de herramientas y Botones. La barra de herramientas está compuesta de botones. Estos botones proporcionan acceso a los comandos más usados a través de “un-clic”. Manteniendo el cursor del mouse posicionado sobre un botón de la barra de herramientas por unos segundos sin dar clic o presionar alguno de sus botones dará como resultado la aparición de una pequeña caja de texto que contiene una la descripción de la función que realiza dicho botón. Ventanas de exhibición. Una ventana de exhibición muestra la geometría del modelo y puede también incluir exhibiciones de características, carga y análisis o los resultados del diseño. Se pueden exhibir hasta cuatro ventanas en cualquier momento. Coordenadas de la posición del cursor del mouse. Las coordenadas que refieran la posición del cursor del mouse. En un plano bidimensional o en una vista de dos dimensiones de la elevación, las coordenadas de la posición del cursor del mouse son exhibidos siempre. En una visión tridimensional, las coordenadas de la posición del cursor del mouse se exhiben solamente cuando el cursor del mouse se encaja a presión a un punto o a una intersección de la línea de una cuadrícula. Unidades en Curso. Las unidades en uso se exhiben en una caja drop-down que se localiza en la parte derecha de la barra de estado. Las unidades pueden ser cambiadas en cualquier momento de la creación del modelo. Opción de Dibujo. Se define si el dibujo será en plano actual, en planos similares o en todos los planos

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO II

II.

Comandos Básicos Para conocer mejor a Etabs veremos algunos de los comandos más usados por los usuarios del software. 1. Menú de Dibujo

Dibujar áreas rectangulares

Dibujar áreas en regiones Dibujar muro en planta

Dibujar áreas

Más comandos Acotar

Seleccionar Objeto

Dibujar vigas secundarias

Dar Objeto

Dibujar columnas en regiones Dibujar línea en regiones

Dibujar línea

 Seleccionar objeto

Dibujar puertas Dibujar ventanas Dibujar muro en regiones y en planta

:

El modo de seleccionar permite seleccionar objetos y es usado para operaciones de edición, hacer asignaciones de objetos y resultados de vista o impresión. De forma automática, el programa se encuentra en modo de seleccionar.

 Dar objeto

:

El modo de dar objeto permite seleccionar todos los objetos que concurren el punto de selección.

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QuispeC.S.A.C. MANUAL BÁSICO DE ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL CON ETABS-CAPITULO II

 Dibujar Línea

:

El modo de dibujar línea permite dibujar elementos frame (vigas o columnas), ya sea en 2D o 3D. Al seleccionar este modo presenta el siguiente cuadro de propiedades para definir las propiedades del elemento dibujar Tipo de Línea Propiedad de sección: Elegir con sección con la que desee traba...