DISEÑO ESCALERA METALICA

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(1)

DISEÑO ESTRUCTURAL DE ESCALERA EN PLAZA VEA - HIGUERETA

1.

OBJETIVO

El objetivo es analizar y diseñar las estructuras metálicas de soporte a emplear para

la caja de escaleras a instalar en el proyecto de Plaza Vea de Higuereta, para ello

se realizó todo el protocolo de análisis y diseño de los elementos estructurales

involucrados.

2.

ANTECEDENTES

El proyecto está ubicado en las instalaciones de Plaza Vea de Higuereta, ubicada

en la Avenida Tomás Marsano Nº2975, esquina con la Avenida Aviación, en el

distrito de Surco, Provincia de Lima.

3.

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ESTRUCTURAL

El proyecto está compuesto por columnas y vigas metálicas, los cuales conformarán

la estructura de la caja de las escaleras a instalarse. Los resultados del análisis

deberán ser tales que se garantice un comportamiento adecuado frente a las

solicitaciones de carga que presenten.

4.

NORMAS Y REGLAMENTOS

La evaluación se realizó tomando en cuenta normas y criterios estructurales

vigentes, siendo estos los siguientes:

-Norma Peruana de Estructuras.

-Norma para estructuras metálicas (E-090)

-AISC – LRFD 99

(2)

5.

PARÁMETROS USADOS

5.1

CARGAS

Las cargas usadas son las siguientes:

Sobrecarga: CV=400kg/m

2

, aplicada sobre los elementos horizontales de la

estructura (losas, pasos y descansos).

5.2 COMBINACIONES

COMBINACIÓN

CM

CV

SISMOXX

SISMOYY

COMB1

1.40

-

-

-

COMB2

1.20

1.60

-

-

COMB3

1.40

1.00

±1.00

-

COMB4

1.40

1.00

±1.00

COMB5

0.70

-

±1.00

-

COMB7

0.70

-

-

±1.00

SERV1

1.00

1.00

-

-

Donde:

CM

:

Cargas Muertas

CV

:

Cargas Vivas

SISMO:

Efectos Sísmicos en ambas direcciones principales (espectro de Seudo

aceleraciones).

6.

CONSIDERACIONES PARA ANÁLISIS

Para realizar el análisis dinámico se consideró un espectro de aceleraciones, el cual

nos permite determinar los desplazamientos y distorsiones.

Para ello, de acuerdo a la Norma de Diseño Sismorresistente vigente (E.030-2003) se

han considerado ciertos parámetros que conducen a un espectro inelástico de

pseudo aceleraciones (Sa) definido por:

Z:

Parámetro de sitio.

U:

Categoría de la edificación.

S:

Factor de amplificación del suelo.

R:

Coeficiente de reducción de solicitaciones sísmicas

C:

Factor de amplificación sísmica

(3)

Para la obtención de estos, se analizó el tipo de suelo sobre el cual se encuentra la

estructura estudiada, el cual se obtuvo del siguiente mapa:

De acuerdo al gráfico mostrado, se aprecia que el proyecto se encuentra en la

ZONA 1, la cual está conformada por afloramientos rocosos, estratos de grava

potentes y estratos de grava coluvial-eluvial que se encuentran a nivel superficial o

cubiertos por un estrato de material fino de poco espesor. Este suelo tiene un

comportamiento rígido, con periodos de vibración natural determinados que varían

entre 0.3 y 0.5 segundos.

Para la evaluación del peligro sísmico a nivel de superficie del terreno, se considera

que el factor de amplificación sísmica por efecto local del suelo en esta zona es S =

1.2 y el periodo natural del suelo es Ts = 0.6s

Z

=

0.4

U

=

1.3

S

=

1.2

R

=

9.0

(4)

ESPECTRO DE DISEÑO

CALCULO DE LA ACELERACION ESPECTRAL

DATOS

Z= FACTOR DE ZONA

Z=

0.4

(Zona3, Costa)

U = FACTOR DE USO O IMPORTANCIA

U=

1.3

(Categoria B)

S = FACTOR DEL SUELO

S=

1.2

(Suelo intemedio)

C= COEFICIENTE SISMICO

R=

9

(Est. Metálicas)

R = FACTOR DE REDUCCIÓN DE LA RESPUESTA

Tp=

0.6

T= PERIODO DE VIBRACION DE LA ESTRUCTURA O

DEL MODO

T

C

Sa

0.100

2.500

1.700

0.150

2.500

1.700

0.200

2.500

1.700

0.250

2.500

1.700

0.300

2.500

1.700

0.350

2.500

1.700

0.400

2.500

1.700

0.450

2.500

1.700

0.500

2.500

1.700

0.550

2.500

1.700

0.600

2.500

1.700

0.650

2.262

1.539

0.700

2.062

1.402

0.750

1.891

1.287

0.800

1.745

1.187

0.850

1.618

1.100

0.900

1.506

1.024

0.950

1.408

0.957

1.000

1.320

0.898

1.050

1.242

0.845

1.100

1.172

0.797

1.150

1.109

0.754

1.200

1.051

0.715

1.250

0.999

0.679

1.300

0.951

0.647

1.350

0.907

0.617

1.400

0.867

0.590

1.450

0.830

0.564

1.500

0.795

0.541

1.550

0.763

0.519

1.600

0.734

0.499

1.650

0.706

0.480

1.700

0.680

0.463

(5)

De esta manera, el espectro de diseño con el cual se trabajó de acuerdo a las

condiciones y características de la ubicación y tipo de suelo sobre el cual se

encuentra el presente proyecto.

Se han establecido los límites permisibles de acuerdo a la Norma, limitando los

desplazamientos de las estructuras mediante el control de las distorsiones como

establece la norma vigente, estas distorsiones para estructuras metálicas es de

0.010.

7.

PRESENTACIÓN DEL MODELO

(6)

Fig.2-Modelo tridimensional de la estructura

(7)

Fig.4 Elevación frontal de la estructura.

(8)

Para la distribución de los elementos se presentan 2 alternativas:

Alternativa 1:

La estructura consta de columnas metálicas tubulares cuadradas de 6”x6” y 3/16”

de espesor, las vigas son perfiles W8x15, las guarderas usadas a lo largo de la

escalera y los descansos son tubulares cuadradas de 10”x2”x4.5mm y de

80mmx250mmx4mm.

Alternativa 2:

La estructura consta de columnas metálicas tubulares 6” de diámetro por 4.5mm.

de espesor, las vigas son perfiles W8x15, las guarderas usadas a lo largo de la

escalera y los descansos son tubulares cuadradas de 10”x2”x4.5mm y de

80mmx250mmx4mm. Cabe mencionar que una de las columnas del primer piso

(Cruce de ejes B y 4) se vio afectada por el peso de las losas adicionales de entrega

de la escalera, motivo por el cual se tuvo que incrementar su espesor a 6mm.

Común a ambas alternativas, para brindarle mayor estabilidad a la estructura se

colocaron arriostres en ambas direcciones tal como se aprecian en la figura 4.

Dichos arriostres son tubulares de 3” de diámetro y espesores de 3/16” y 1/4” de

espesor.

Los pasos de la escalera son hechos a base de perfiles metálicos, consta de

planchas de 2 metros de largo por 0.30 metros de ancho por 3/16” de espesor,

cada una de ellas estará unido por ambos lados a las guarderas debidamente

atiesado con perfiles angulares por la parte inferior. Cabe mencionar que los pasos

metálicos, así como los atiesadores mencionados no se incluyen en la relación de

pesos al final del informe, y serán cotizados aparte.

Las losas y descansos se modelaron a base a losa colaborante, las cuales se apoyan

sobre viguetas secundarias de sección W6x20. La sobrecarga aplicada a dicha losa

fue de 400kg/m2.

8. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

La estructura se sometió a un espectro de seudo-aceleraciones para simular su

comportamiento ante un sismo severo aplicado en ambas direcciones (X e Y). Al

momento de simularla los resultados no fueron satisfactorios pues excedían los

valores límite permisible, motivo por el cual se tuvo que cambiar el tipo de apoyo de

las columnas al terreno por apoyos rígidos, esto se hace mediante el empleo de

atiesadores al pie de cada columna.

(9)

Alternativa 1:

Fig. 6: Resultados de derivas debido a sismo en dirección X-X.

Como se ve en los resultados con las columnas cuadradas de la figura 6 los valores

de deriva en cada piso ascienden hasta un máximo valor de 0.003944, lo cual está

por debajo del límite máximo (0.010).

(10)

Fig. 7: Resultados de derivas debido a sismo en dirección Y-Y.

Al igual que en el caso anterior, el punto que se desplaza más cuando el sismo es

aplicado en la dirección Y-Y, tiene una deriva máxima de 0.003229, también por

debajo del límite 0.010.

(11)

Alternativa 2:

Fig. 8: Resultados de derivas debido a sismo en dirección X-X.

Como se ve en los resultados con las columnas circulares de la figura 8 los valores

de deriva en cada piso ascienden hasta un valor máximo de 0.004602, lo cual está

por debajo del límite máximo (0.010).

(12)

Fig. 9: Resultados de derivas debido a sismo en dirección Y-Y.

Al igual que en el caso anterior, el punto que se desplaza más cuando el sismo es

aplicado en la dirección Y-Y, tiene una deriva máxima de 0.003885, también por

debajo del límite 0.010.

A continuación, se presentará mediante imágenes, las respuestas estructurales de

los diferentes elementos analizados. Estos se muestran dentro de un espectro de

colores que reflejan una relación de demanda entre capacidad.

(13)

Alternativa 1:

Fig. 10: Resultados del diseño de las estructuras con columnas cuadradas

Fig. 11: Resultados del diseño de las vigas secundarias (soporte de las losas

colaborantes).

(14)

En las figuras 10 y 11, se muestra el espectro de colores de la capacidad del

elemento, en la mayoría de casos los elementos están de color celeste a verde, lo

que significa que están trabajando a lo más al 70% por debajo de su capacidad.

Alternativa 2:

Fig. 12: Resultados del diseño de las estructuras con columnas circulares.

Fig. 13: Resultados del diseño de las vigas secundarias (soporte de las losas

colaborantes).

(15)

En las figuras 12 y 13, se muestra el espectro de colores de la capacidad del

elemento, en la mayoría de casos los elementos están de color celeste a verde, lo

que significa que están trabajando a lo más al 70% por debajo de su capacidad.

Fig. 14: Esta salida de resumen de diseño corresponde a una de las columnas

cuadradas de la estructura (Tubo 6”x6”x3/16”). Aquí se muestra que el elemento

sigue cumpliendo con las solicitaciones trabajando por debajo de su capacidad,

en este caso, al 52.5% de su capacidad.

(16)

Fig. 15: En la figura anterior se muestran los resultados de la única columna circular

de 6” de diámetro por 6mm de espesor, ubicada en el primer piso en el cruce de

los ejes B y 4. Se aprecia que la columna trabaja al 59.1% de su capacidad.

Cabe mencionar que debido a los cambios realizados, la estabilidad de las

estructuras se vieron afectadas, por ello la necesidad de considerar arriostres en la

dirección X.

(17)

La relación de pesos de las estructuras se detalla a continuación:

Alternativa 1: Columnas cuadradas.

PERFIL

TIPO

N piezas

Long (m)

Peso (ton)

W6X20

Beam

9

30

0.893

TUBO10X2X4.5MM

Beam

6

15.84

0.33

TUBO10X2X4.5MM

Brace

12

52.82

1.102

TUBO3X3/16

Brace

7

36.683

0.307

TUBO6X6X3/16

Column

24

98.58

2.172

TUBO3X1/4

Brace

5

31.152

0.711

TUBO80X250X4MM

Beam

6

12

0.242

W8X15

Beam

28

93.96

2.033

AD900

Floor

-

-

14.669

AD900

Metal Deck

-

-

0.699

TOTAL

ACERO:

8.489

toneladas

Alternativa 2: Columnas circulares.

PERFIL

TIPO

N piezas

Long (m)

Peso (ton)

W6X20

Beam

9

30

0.893

TUBO10X2X4.5MM

Beam

6

15.84

0.33

TUBO10X2X4.5MM

Brace

12

52.82

1.102

TUBO3X3/16

Brace

7

36.683

0.307

TUBO3X1/4

Brace

5

31.152

0.711

TUBO6X4.5MM

Column

23

94.81

1.553

TUBO6X6MM

Column

1

3.77

0.081

TUBO80X250X4MM

Beam

6

12

0.242

W8X15

Beam

28

93.96

2.033

AD900

Floor

14.669

AD900

Metal Deck

0.699

TOTAL

ACERO:

7.951

toneladas

NOTA: Los pesos Totales de acero incluyen la plancha de acero deck de la losa

colaborante.

(18)

Se presenta la distribución de los elementos:

Alternativa 1: Columnas cuadradas.

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

Fig. 25: Elevación eje D.

Alternativa 2: Columnas circulares.

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

9. DISEÑO DE CIMENTACIONES:

Una vez concluido el análisis y diseño de los elementos se verificarán las

reacciones en las bases de cada columna para el diseño de las cimentaciones.

Debido a la reducción en peso de los perfiles, se presentará un nuevo diseño

para las zapatas debido a la optimización en peso realizada.

Estas constarán de zapatas aisladas con un pedestal de concreto de 0.40x0.40,

sobre el cual se apoyará la columna metálica, sea cuadrada o circular. El

concreto considerado en el diseño será de f’c=210kg/cm

2

y el acero empleado

tendrá un fy=4200kg/cm

2

.

(39)

Zapata A1:

Dimensiones: A=1.00m B=1.00m C=0.40m D=0.40m X=0.70m Y=0.60m Z=0.70m f 1/2” @ 0.125 f 1/2” @ 0.125 Est. f 3/8” Est. f 3/8” 4f 5/8”

(40)

Zapata Z-B1:

Dimensiones: A=1.00m B=1.00m C=0.40m D=0.40m X=0.70m Y=0.60m Z=0.70m f 1/2” @ 0.125 f 1/2” @ 0.125 Est. f 3/8” Est. f 3/8” 4 f 5/8”

(41)

Zapata Z-D1:

Dimensiones: A=1.00m B=1.00m C=0.40m D=0.40m X=0.70m Y=0.60m Z=0.70m f 1/2” @ 0.125 f 1/2” @ 0.125 Est. f 3/8” Est. f 3/8” 4 f 5/8”

(42)

Zapata Z-A4:

Dimensiones: A=1.00m B=1.00m C=0.40m D=0.40m X=0.70m Y=0.60m Z=0.70m f 1/2” @ 0.125 f 1/2” @ 0.125 Est. f 3/8” Est. f 3/8” 4 f 5/8”

(43)

Zapata Z-B4:

Dimensiones: A=1.00m B=1.00m C=0.40m D=0.40m X=0.70m Y=0.60m Z=0.70m f 1/2” @ 0.125 f 1/2” @ 0.125 Est. f 3/8” Est. f 3/8” 4 f 3/4”

(44)

Zapata Z-D4:

Dimensiones: A=1.00m B=1.00m C=0.40m D=0.40m X=0.70m Y=0.60m Z=0.70m f 1/2” @ 0.125 f 1/2” @ 0.125 Est. f 3/8” Est. f 3/8” 4 f 5/8”

(45)

10. DISEÑO DE ANCLAJES:

Se presenta a continuación el diseño del anclaje de las bases de las columnas:

Para las columnas tubulares cuadradas (6”x6”x3/16”):

La placa base a emplear será de 0.30m x 0.30m x 12mm. de espesor, para ello,

los pedestales descritos en la sección 9 (Detalle de cimentaciones) serán de

0.40mx0.40m.

Los resultados del diseño arrojaron 6 pernos de 5/8” de diámetro, por otro lado es

posible usar una menor cantidad de pernos aumentando el diámetro, por ello se

emplearán 4 pernos de ¾” y su distribución será tal que quede dentro del núcleo

de concreto del pedestal.

(46)

Para las columnas tubulares circulares (6”x3/16” o 6”x¼”):

Análogamente al caso anterior la placa base será de 30cmx30cm por un

espesor de 12mm.

Fig. 10.2: Resultados del diseño de anclajes para columna circular de 6” de

diámetro.

(47)

Detalles constructivos:

Fig. 10.3: Detalle del anclaje de columnas (Circular o cuadrada) en pedestal de

concreto

(48)

Fig. 10.5: Corte A-A para el caso de columna circular

(49)

(50)

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