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MODELO, ANALISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURA METALICA DE DOS NIVELES – USO OFICINA

CSi CARIBE - DISEPRO EIRL

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DISEÑO ESTRUCTURA METALICA CON LOSA COLABORANTE 2 NIVELES En este capítulo vamos a diseñar una estructura cuyo material predominante es el acero A-36, para este fin usáremos el software ETABS 2013, las cargas impuesta será por el peso propio de las secciones computadas desde los materiales; la sobrecarga distribuida será según norma E-020 del Reglamento Nacional de Edificaciones. La geometría en planta, y elevación es como se muestra a continuación Usando la herramienta de ETABS 2013 se procede a realizar este proyecto en tres etapas: 1.- Modelo Matemático 2.- Cargas 3.-Análisis 4.- Diseño de elementos que conforman la estructura 1.- MODELO MATEMATICO En esta primera sección se tiene que fijar la disposición y tamaño inicial de los elementos que configuran la estructura principal, de tal manera que después de incluir las cargas nos permita iniciar un análisis interactivo hasta la optimización de los elementos en el proceso de Diseño. Seleccionar las unidades en el sistema internacional S.I.; luego generar las grillas de dibujo según la geometría en planos de distribución en planta y elevación; así tenemos:

Selección de Unidades (S.I.)

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Selección solo grillas y edición de texto

1.1 Definir Materiales.- Después de guardar el archivo con un nombre vamos a la definición de materiales a usar; en el menú desplegable con la opción Define/Materials ingresaremos los siguientes datos: Concreto: √ Coeficiente de deformación transversal (coef. poisson)

Cuadro de dialogo para definir el material Concreto

Acero A-36:

Coeficiente de deformación transversal (coef. poisson)

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Cuadro de dialogo para definir el material Acero A-36

1.2 Propiedades de Secciones.- vamos a definir las secciones que usaremos en este proyecto; vamos importar de la base de data del programa las secciones I/Wide Flange; la encontraremos en el archivo Secion.pro

Auto select list para secciones de columnas W10x17 a W12x65

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Auto select list para secciones de columnas W10x17 a W12x35

Los arriostres concéntricos serán de W8x18 /2 compacta, esta sección la definimos en como sección Tee

Arriostre en sección Tee a partir de las dimensiones de la sección W8x18

Se define las correas (list W6x12 – W8x48)

Auto select list para secciones de correas W6x12 a W8x48

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1.3 Draw/ frame.- Modelo con todos los elementos Frame

Generamos el modelo de la estructura completa con los elementos frame; y asignamos la liberación a mto en las vigas cuando conectan a la columna en el eje menor.

1.4 Elementos Area.- Definimos la losa colaborante como elementos de área tipo membrana

Modelo matemático final con diafragma rígido en los dos niveles, se ha incluido la escalera

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2.0 CARGAS Se tiene que pensar, ante todo, que la determinación de las Cargas que actúan no pueden ser exactas en magnitud y en ubicación, aun cuando se conozca la exacta posición de las mismas y su magnitud, la interrogante es como se trasmiten las cargas a los apoyos de los elementos; muchas veces son necesarias las suposiciones que ponen en duda el sentido de la exactitud buscada, de esta manera vamos a definir solo algunas de las cargas mas conocidas. 2.1 Carga Muerta, es una carga de gravedad cuya magnitud y ubicación podemos considerarlas fijas; se usara en este proyecto las cargas permanentes tomadas desde los pesos de los elementos que conforman la estructura definida como DEAD y para las cargas que se encuentran adheridas a ellas como tuberías, conductos de aire, luminarias, acabados, cielo raso suspendido, etc será definida como SUPERDEAD. En la práctica los Reglamentos vigentes proporcionan tablas que ayudan al diseñador a cuantificar estas magnitudes. Para la Súper Carga Permanente SUPERDEAD usaremos = 100kg/m2 y será aplicada a la cobertura tipo membrana

Definición de cargas impuestas en el sistema

Seleccionar la cobertura y asignar la súper carga muerta aprox. 10 0kg/m2; otra alternativa es distribuir la carga super muerta directamente a los elementos de manera distribuida.

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2.2 Carga Viva, es aquella carga de gravedad que actúa sobre la estructura cuando esta se encuentra en servicio; puede variar en ubicación como en magnitud a lo largo de la vida útil. Live = 250kg/m2

Seleccionar la cobertura y asignar la carga viva 250kg/m2 - Oficina 2.4 Carga de Sismo, los terremotos producen movimientos horizontales y verticales; los movimientos horizontales son los que generan en las estructuras los efectos más significativos; cuando la interacción suelo estructura se activa, la inercia de la masa de la estructura tiende a resistir este movimiento; la filosofía de este análisis sísmico tiende a estimar la fuerza a partir de un porcentaje del peso de la estructura; este porcentaje es llamado coeficiente basal y la fuerza dependerá de la ductilidad o liberación de energía que se estime o se asigne a este tipo de estructura; en este proyecto solo vamos a estimar la fuerza sísmica lateral para determinar si es mandatorio en el diseño; los pórticos en X-X serán con uniones dúctiles a momentos (R=9.5) y en el eje Y-Y arriostrado en cruz (R=6.0); evaluaremos desplazamiento lateral relativo (Dritf).

Coeficiente Basal Z=0.4g U=1.0 S=1.4 Tp=0.90 seg T fundamental X-X = 0.32 seg y T fundamental Y-Y = 0.92 seg Cx-x= 2.5 y Cy-y= 2.44 = 9.5 = 6.0 Por lo tanto la fuerza por carga de sismo será

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y

Espectro de respuesta para evaluar sismo en X-X

Espectro de respuesta para evaluar sismo en Y-Y

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Caso de carga por sismo dinámico – dirección pre escrita X-X

Caso de carga por sismo dinámico – dirección pre escrita Y-Y Para evaluar el peso de la estructura y determinar la fuerza cortante haremos una combinación lineal PESO = 100% las cargas muertas y 25% las cargas vivas

Comb. para evaluar el peso de la estructura

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Para evaluar los desplazamientos relativos (Drift) tomaremos las respuestas de la envolvente de los casos sísmicos dinámicos Espectral X-X y Espectral Y-Y, al 75% de R en cada dirección.

Comb. para evaluar el drift o desplazamiento lateral relativo 3.0 ANALISIS DE LA ESTRUCTURA Para determinar las acciones internas en los miembros de las estructuras se tiene que analizar las mismas para todos los casos de cargas aplicadas; la estructura debe comportarse de acuerdo a las leyes de la Mecánica. El análisis será elástico, sabiendo que la misma puede incursionar en deformaciones inelásticas. 3.1 Opciones de Análisis y los casos de carga a evaluar

El Peso de la estructura es 88.27Tn; el cortante por sismo es:

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y

, al 100%

Cortante X-X =11.32 Tn y Cortante Y-Y=18.43 Tn OK

Drift o desplazamientos relativos Preferences > Steel Frame Design. especifique AISC360-05/IBC2006.- código y método de reducción de rigidez con el fin de garantizar que las combinaciones de carga automáticos son adecuados.

b) Reduction factors, a la sección IE y EA se aplican de forma automática por el programa si se selecciona la opción DAM (Direct Analysis) Tau-b variable o Tau-b fixed.

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Para el análisis inicial (Analyze Run), no se utilizan los factores de reducción. Sin embargo, tan pronto como un diseño se ejecuta (Star Steel Frame Design) los factores de reducción se utilizan y se mantienen en el modelo. Esto significa que la primera vez que el modelo es analizado y diseñado, el usuario debe iterar entre el diseño y el análisis al menos una vez adicional. Posteriormente, tanto el análisis y diseño tendrán factores de reducción aplicados automáticamente. 4.7 Steel Frame Design / Select Design Combos, en opción seleccionamos el estado límite para generar las combinaciones de diseño; será por Resistencia y Deflexión, puede generarse de manera automática o se puede generar de manera particular (si desea editar o generar las combinaciones para diseño use la opción Define/ Load Combinations / Add Default Design Combos o Add New Combo …

4.8 Design / Steel Frame Design / Star Design, primera iteración sobre el diseño de secciones en acero.

4.9 Verify Analysis vs Design Sections, el diseño y la optimización de las secciones se realice de manera iterativa; esto es seleccionando los miembros a optimizar se vuelve a analizar la estructura y posterior al diseño.

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En la tercera iteración en mensaje refiere a que el análisis y diseño de secciones coincide y no hay mas secciones a optimizar (del auto list seleccionado) 4.10 Revisión de secciones diseñadas, si bien hemos logrado optimizar las secciones definidas como auto list, los braced (arriostres) no fueron consideradas con esta característica, nos tocara mejorar la sección con otra opción llamada overwrite, (sobre escribir otra sección).

Veamos algunas secciones diseñadas: 1.- Columna W10x39 : Sección de Análisis y Sección de Diseño.

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2.- Viga de Pórtico: Sección W10X39 en el span de 5.75m (con arriostre medio) las demás W10x22

3.- Correas W8x31 con conexión a corte y arriostre a la mitad de la sección en el eje menor, las demás sin arriostre (paralela al eje X-X)

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4.- Vigas W10x17 con conexión a corte en las columnas (paralela al eje Y-Y), alternativamente puede usar W10x45

5.- Arriostres: sección TEE

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CONEXIONES .VIGAS –VIGAS A CORTE VIGAS – COLUMNA A MOMENTO EJE MAYOR VIGA – COLUMNA A CORTE EJE MENOR COLUMNA – PLANCHA BASE

Revisión de la conexión viga-viga a corte plancha llena soldada - empernada

Revisión de la conexión viga-columna a corte eje mayor de la columna

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Revisión de la conexión viga-columna a corte eje menor de la columna

Revisión de la conexión viga-columna a momento eje mayor de la columna

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Revisión de la conexión plancha base

Revisión de conexión a Momento en el eje mayor de la columna

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Revisión de conexión a Corte, viga – viga

Revisión de conexión a Corte, viga - correa

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