Loading presentation...

Present Remotely

Send the link below via email or IM

Copy

Present to your audience

Start remote presentation

  • Invited audience members will follow you as you navigate and present
  • People invited to a presentation do not need a Prezi account
  • This link expires 10 minutes after you close the presentation
  • A maximum of 30 users can follow your presentation
  • Learn more about this feature in our knowledge base article

Do you really want to delete this prezi?

Neither you, nor the coeditors you shared it with will be able to recover it again.

DeleteCancel

Make your likes visible on Facebook?

Connect your Facebook account to Prezi and let your likes appear on your timeline.
You can change this under Settings & Account at any time.

No, thanks

ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y ECONÓMICO COMPARATIVO DE LOSAS CON L

No description
by

Jorge Salazar

on 4 August 2014

Comments (0)

Please log in to add your comment.

Report abuse

Transcript of ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y ECONÓMICO COMPARATIVO DE LOSAS CON L

CARGAS
Para la ejecución del diseño de cada alternativa se utilizaron las siguientes propiedades de los materiales:
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
Norma Ecuatoriana de la Construcción, NEC 2011

American Concrete Institute 2008, ACI 2008

American Institute of Steel Construction, AISC
CÓDIGOS A APLICARSE
ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y ECONÓMICO COMPARATIVO DE LOSAS CON LUCES DE 5, 7 Y 9 METROS CONSTRUIDAS CON SISTEMA ESTRUCTURAL TIPO DECK Y LOSAS NERVADAS DE HORMIGÓN ARMADO CON VIGAS DESCOLGADAS
INTRODUCCIÓN
Se realiza un análisis económico comparativo de losas entre dos sistemas estructurales, losas nervadas de hormigón armado y losas tipo deck, para luces de 5, 7 y 9 metros
HORMIGÓN


ACERO DE REFUERZO


ACERO ESTRUCTURAL

CARGA VIVA


CARGA MUERTA

LOSAS DE HORMIGÓN ARMADO
Especificaciones de diseño
DISEÑO DE ACERO DE REFUERZO
Para diseño a flexión y cortante es necesario cumplir las siguientes expresiones:
METODOLOGÍA DE DISEÑO DE LOS SISTEMAS ESTRUCTURALES PROPUESTOS
Mediante el programa ETABS 2013, se realizó el modelo de una losa tipo, de tres maneras diferentes, y se comparó estos resultados con los obtenidos mediante el método de pórtico equivalente y método de los coeficientes.

Método del pórtico equivalente
En general el método del pórtico equivalente, consiste en aplicar los pasos que a continuación se mencionan:

-Idealización de la estructura tridimensional en pórticos bidimensionales

-Determinación de las rigideces de los elementos que forman los pórticos

-Análisis estructural de los pórticos

-Distribución de los momentos flexionantes obtenidos en el análisis en franjas de columna y franjas de tramo

-Dimensionamiento de los elementos de la estructura y cálculo del acero longitudinal en los elementos viga-losa

Método de los coeficientes
El presente método permite establecer una adecuada distribución de carga que se trasmiten en cada una de las direcciones de la losa bidireccional, en función de la relación entre las dimensiones del panel en cuestión y de las diferentes condiciones de apoyo, mediante la tabla 12.6 del libro Diseño de Estructuras de Concreto, de Arthur Nilson

Modelo de losa mediante nervios tipo T
Modelo de losa mediante losa maciza equivalente
Modelo de losa mediante nervios rectangulares con una loseta de 5cm sobrepuesta
Se define como método de modelado de losas de hormigón armado en el programa ETABS 2013, al método de Nervio tipo T, ya que los resultados obtenidos mediante este método son los que más se acercan a los obtenidos mediante el pórtico equivalente.

LOSAS TIPO DECK
Se procede a modelar las losas tipo Deck en el programa ETABS 2013 y se aplican las cargas correspondientes, con lo cual se obtiene las solicitaciones existentes en los elementos viga y vigueta. Una vez obtenidos dichas solicitaciones, se realiza el diseño final de los elementos estructurales de acero en hojas de cálculo realizadas en Microsoft Excel por los autores del presente estudio
LOSAS DE PLACA METÁLICA COLABORANTE (DECK)
PLACA COLABORANTE
ANCHO EFECTIVO
Para determinar la resistencia de una viga compuesta, es fundamental determinar el ancho de losa de hormigón que colabora a esta resistencia. Debido a que en estos elementos actúan esfuerzos no uniformes, se introduce el concepto de ancho efectivo
RESISTENCIA DE DISEÑO PARA SECCIONES COMPUESTAS
No se cuenta con datos de investigación acerca de los límites ancho-espesor de vigas compuestas, por lo cual se ha adoptado conservadoramente los límites para secciones compactas, no compactas y esbeltas estipulados en la tabla B4.1 del código AISC
Resistencia de diseño en zonas de momento positivo
La resistencia de la sección compuesta para momento positivo, está regida por varios factores como lo son: la sección de acero, los conectores de cortante y la loseta de hormigón, ya que esta última forma parte del patín comprimido de la sección compuesta.
Para determinar la resistencia a momento positivo de las vigas de acero, se considera que su patín superior se encuentra debidamente arriostrado por la presencia de la loseta de hormigón, la misma que está sujeta a la viga de acero mediante los conectores de corte. En caso de que el alma de la viga no sea compacta, se puede considerar, de manera conservadora, que la aparición del esfuerzo de fluencia constituye el límite de resistencia a la flexión
Como se mencionó anteriormente, se considera una acción compuesta completa entre la viga de acero y la loseta de hormigón, para lo cual se debe cumplir que el factor α sea igual a 1, donde:

α = ΣQn/C

La fuerza de compresión C, es la menor de las siguientes ecuaciones:

C= Aa*fy

C= 0.85*f’c*Ac

∑Qn= N*Qn, donde Qn es la resistencia al corte de un conector y N el número de conectores que hay entre las dos secciones.



Resistencia de diseño en zonas de momento negativo
Para el cálculo de la resistencia de diseño a flexión negativa, es necesario cumplir con los siguientes requisitos: [AISC I3-2b]
 
(1) La viga de acero es compacta y está debidamente arriostrada.

(2) La losa está vinculada a la viga de acero en la región de momento negativo mediante conectores de corte.

(3) El refuerzo de losa paralelo a la viga de acero se desarrolla apropiadamente dentro del ancho efectivo de la losa.

El arriostramiento de las vigas de acero diseñadas como continuas se determinó con la ecuación recomendada por el código sísmico AISC

Para garantizar la acción compuesta completa en la resistencia a flexión negativa, se debe cumplir con la siguiente ecuación:

ΣQn ≥ Ar*Fyr

Ar: Área total del refuerzo presente en el ancho efectivo de la losa.

Fyr: Esfuerzo de fluencia de las varillas presentes en el ancho efectivo de la losa

La resistencia a momento positivo de la sección compuesta depende de la ubicación de su eje neutro plástico (ENP), con lo cual se tienen dos casos de análisis de la sección:

CASO I

La losa de concreto resiste la fuerza total de compresión; es decir el E.N.P. atraviesa la losa o pasa por su borde inferior
CASO II

La loseta de concreto no resiste por sí sola la fuerza total de compresión; es decir el E.N.P. atraviesa la viga de acero. En este caso se debe tener en cuenta si el E.N.P. atraviesa el patín superior o el alma de la viga de acero
Las losas tipo Deck consideradas en el presente estudio, se analizarán con conectores de corte de barra de acero con cabeza, conocidos también como “NELSON STUD”.

La resistencia de un conector se calcula con la siguiente ecuación:
DEFLEXIONES
El momento de inercia de una viga compuesta, para el cálculo de deflexiones, se determina mediante un análisis elástico de la sección de acero, ya que este es su comportamiento bajo cargas de servicio.

Para determinar las deflexiones en una viga compuesta, la losa de concreto se sustituye por un área de acero equivalente, con el mismo centro de gravedad, con lo que se obtiene una sección transformada ficticia de acero, de momento de inercia It.

La deflexión máxima permitida en las vigas de acero se calcula con la siguiente ecuación:

δmax=L/360

Deflexiones Instantáneas
Deflexión instantánea en vigas de acero simplemente apoyadas:




Deflexión instantánea en vigas de acero continuas:


Deflexiones por contracción del concreto
La flecha máxima producida por la contracción restringida del concreto, en el centro de una viga libremente apoyada, se calcula con la siguiente expresión
Deflexiones por flujo plástico
Vibración
El parámetro más importante para la evaluación de la serviciabilidad ante vibraciones es la frecuencia natural. Este parámetro se calcula con la ecuación:





Considerando que W es la carga muerta total más un 10% de la carga viva, y la deformación ∆ es la que corresponda, ya sea a una viga continua o simplemente apoyada
ANÁLISIS COMPARATIVO DE COSTOS
RESULTADOS

Costo por m2 de losas de 5m:
Costo por m2 de losas de 7m:
Costo por m2 de losas de 9m:
RECOMENDACIONES
- Todas las secciones de acero consideradas en el presente estudio se clasifican como secciones compactas, se recomienda realizar un estudio con vigas no compactas mediante un análisis elástico, ya que la resistencia a flexión del elemento mediante un análisis plástico (secciones compactas) es mucho mayor a los que se requieren por solicitación, de esta manera se puede reducir los costos.
 
- En el diseño de secciones compuestas se debe verificar que exista la cantidad necesaria de conectores de corte que garanticen el trabajo en conjunto de ambos elementos.
 
- Es necesario considerar, para la modelación de edificaciones en etabs, que el peso propio de una losa maciza por metro cuadrado, es significativamente mayor que el peso de una losa nervada de inercia equivalente.
 
- Se recomienda realizar estudios similares, de losas diseñadas con elementos de acero conformado en frío, y con acero A36, ya que son alternativas actualmente utilizadas en nuestro medio.


CONCLUSIONES
- Del análisis comparativo de costos, de las luces y sistemas estructurales ejecutados en el presente estudio, se determina que las losas con el sistema estructural tipo deck, tienen un costo ligeramente menor que las de hormigón. Cabe mencionar que esto puede variar significativamente dependiendo del criterio del diseñador.
 
- El factor n utilizado en el presente estudio para el diseño de las vigas de acero, es de gran importancia en el cálculo de la deflexión teórica del elemento, y toma mayor importancia aún, teniendo en cuenta que la deflexión en las vigas de acero es la que gobierna el diseño del elemento.
 
- En el tema de vigas compuestas, es importante la consideración de la colaboración de la loseta de hormigón, en el cálculo de la resistencia a flexión de la viga de acero, ya que se tiene un momento de resistencia de por lo menos el 40% mayor, respecto a una viga no compuesta.
 
- En el caso del sistema estructural hormigón armado, se determina que el uso de una viga trabe, representa la opción económica más conveniente, siempre y cuando, las vigas de apoyo y la viga trabe, sean lo suficientemente rígidas.
 
-Para el cálculo de las deflexiones en las vigas de acero, es muy importante considerar la inercia transformada de la sección compuesta, ya que la inercia de ambos elementos es mucho mayor a la del elemento de acero solo, con lo cual se reduce significativamente la deflexión en el elemento y consecuentemente su costo.

Se analizarán dos tipos de deflexiones: las instantáneas y las diferidas.

Las instantáneas se presentan debido al peso del concreto colocado sobre las vigas de acero no apuntaladas, o aparecen cuando se retiran los puntales, y cuando se aplican cargas vivas de corta duración.

Las diferidas aparecen debido a la contracción y el flujo plástico del concreto, y también al cambio de sus propiedades a lo largo del tiempo.

Todas las deflexiones se las calculará con la combinación de carga:

W= D+L
Los efectos del flujo plástico del concreto de las losas pueden tenerse en cuenta, de manera aproximada, aumentando en 15% las flechas instantáneas producidas por las cargas.

Este criterio es mucho más práctico, ya que es sumamente complicado evaluar con precisión los efectos del flujo plástico sobre las deflexiones de las vigas compuestas, debido al gran número de variables que influyen en ellos, y el poco control que se tienen sobre esas variables.

δ_(F.Plástico)=15% δ_instantánea
Donde:
ϵ_f: Contracción unitaria libre del concreto (varía entre 400 y 1100 x 10-6)
Ac: Área efectiva de la losa
Ect: Módulo de elasticidad efectivo del concreto en tensión, 84 640 – 4800 σct.
σct: Esfuerzo a tensión del concreto, se lo puede calcular mediante:
σct= 2√(f′c) kg/cm2 ACI [9.5.2.3]
nt = relación modular, E/Ect.
y = distancia del centroide del área efectiva de la losa al eje neutro elástico.
It = momento de inercia de la sección transformada de la viga compuesta, basado en la relación modular nt
CONECTORES DE CORTANTE
Las fuerzas cortantes horizontales que se generan entre la losa de concreto y la viga de acero, deben ser resistidas de manera que se anule el deslizamiento entre ambas, esto con el objetivo de que ambos elementos trabajen como una unidad.

La adherencia entre el concreto y el acero se pierde, o se reduce drásticamente, por la contracción del primero y las vibraciones producidas por la carga viva, por esta razón, es sumamente importante el uso de conectores de cortante mecánicos para transmitir la fuerza íntegra si es que se desea una acción compuesta entre los dos elementos
La resistencia a momento negativo de la sección compuesta depende de la ubicación de su eje neutro plástico (ENP), el mismo que se puede encontrar en el alma o en el patín de la viga de acero

Para determinar la resistencia máxima a flexión de una sección compuesta se considera una viga de acero que esté completamente plastificada, es decir, una sección compacta. En el presente estudio se tomará en cuenta solo secciones compuestas completas, para lo cual se considerarán los conectores de corte necesarios para cumplir con este parámetro.
Se considera una placa Tipo Deck de espesor e=0.65mm. La resistencia del hormigón de la losa de concreto es f’c=210 Kg/cm2
Para el análisis de losas tipo Deck se considerará una acción compuesta entre los elementos de acero estructural y la loseta de hormigón, ya que se colocarán elementos adecuados (conectores de corte) para resistir las fuerzas cortantes que se desarrollan entre ellos cuando trabajan en conjunto
El ancho efectivo de las losas de hormigón a cada lado de la viga de acero es el menor valor de las siguientes tres dimensiones [AISC I3-1a.]:
 
1. Un octavo de la luz de viga, medida de centro a centro de los apoyos.

2. Un medio de la distancia al eje de la viga adyacente.

3. La distancia al borde de la losa.

Como recomendación del Ingeniero Jorge Vintimilla, se utilizó un ancho efectivo igual a dos veces la altura de la viga.

be=2.h

Se considera una cuantía mínima de acero en la losa de hormigón por retracción y temperatura de ρ=0.0018

Gracias
El espesor mínimo macizo de la losa se define a partir de (ACI 318-08; Cap. 9; R.9.5.3.3):



La verificación de deflexiones, para vigas descolgadas, nervios y vigas trabe, se limita a un valor de (ACI 318-08; Cap. 9; Tabla 9.5(b)):

L/480








Las dimensiones de las vigas descolgadas con respecto a la losa, son controladas con la condición de que éstas tengan un factor α mayor a 2

Andrés Salazar
Galo Serrano
Full transcript