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MINISTERIO DE SALUD PÚBLICA
INFORME TECNICO EVALUACION ESTRUCTURAL
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INFORME TÉCNICO DE LA EVALUCION ESTRUCTURAL DEL CENTRO DE SALUD MARIANITAS
AUTOR: ING. DIEGO LEÓN S. Rev. No.
Elaborado Fecha: LPA
Revisado DLS
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A
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Aprobado Fecha:
Fecha:
Aprobado CLIENTE
Fecha:
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INFORME TECNICO EVALUACION ESTRUCTURAL
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INDICE
1.
ACRONIMOS. ................................................................................................................................. 3
2.
INTRDUCCIÓN ............................................................................................................................... 3
3.
GENERALIDADES. ......................................................................... Error! Bookmark not defined. 3.1. OBJETIVOS Y ALCANCE DEL ESTUDIO .... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 3.2. DESCRIPCIÓN DEL MODELO ESTRUCTURAL ........... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
4.
ANALISIS DE CARGAS. .............................................................................................................. 4 4.1. ANÁLIIS POR CARGA VERTICAL ........................................................................... 4 4.1.1. Carga Muerta. ................................................................................................................. 5 4.1.2. Carga Viva. ...................................................................................................................... 5
5.
ANÁLISIS POR SISMICO............................................................................................................. 5 5.1. DETERMINACIÓN DE LAS FUERZAS ESTÁTICAS ............................................... 6 5.2. DETERMINACIÓN DE L FUERZAS DINAMICAS (ANALSIS ESPECTRAL) ........... 9 5.2.1. CASOS DE CARGA PARA ANALISIS DINAMICO: ................................................. 10 5.2.2. AJUSTE DEL CORTE BASAL ........................................ Error! Bookmark not defined.
6.1.
INGRESO DE DATOS: ............................................................................................................ 12 6.2. COMBINACIONES DE CARGAS. ........................................................................... 13 6.3. MATERIALES.......................................................................................................... 14
7.
METODOLOGÍA DEL DISEÑO ............................................................................................... 16
8.
PARÁMETROS DE SUELO. .......................................................... Error! Bookmark not defined. 8.1. RECOMENDACIONES. ................................ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
9.
DETALLE DEL ACERO DE REFUERZO ................................................................................. 17 9.1. VIGAS ..................................................................................................................... 17 9.2. COLUMNAS ............................................................................................................ 17 10. CALCULO DE LAS DERIVAS DE PISO .................................................................. 30
11.
CONTROL DURANTE LA CONSTRUCCIÓN......................... Error! Bookmark not defined.
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12.
INFORME TECNICO EVALUACION ESTRUCTURAL
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RESULTADOS. ......................................................................................................................... 17
1. ACRONIMOS. Para el presente informe técnico de la evolución estructural del centro de salud marianitas se procedió a utilizar las siguientes normas: NEC Norma Ecuatoriana de la Construcción. ACI-318-2011
American Concrete Institute, commite 318
AISC-360-10 American Airon and Style Construction commite 360, año 2010.
2.
INTRODUCCIÓN El presente informe tiene como finalidad reflejar los resultados del estudio estructural efectuado a la edificación centro de salud marianitas, ubicada en la parroquia Calderón, Cantón Quito, Ecuador. Dada la naturaleza de la estructuración, compuesta esencialmente por un sistema aporticado de hormigón armado con vigas banda, el método de análisis para la evolución estructural fue el Análisis sísmico-estático equivalente y el análisis dinámico modalespectral. Que para este tipo de estructura tiene una excelente confiabilidad en la determinación de las demandas sobre las estructuras y en las evaluaciones de las capacidades. La demanda como representación de los efectos de las acciones (gravitación, sismo), la capacidad como la capacidad que posee la estructura para resistir la demanda.
3.
OBJETIVO. 3.1.
OBJETIVO GENERAL
Realizar la inspección técnica del ESTADO ACTUAL desde el punto de vista estructural del centro de salud Marianitas 3.2. OBJETIVO ESPECIFICO.
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Realizar la inspección física de las instalaciones civiles estructurales del centro salud Marianitas Describir el estado actual de la estructura en base a la inspección en sitio. Realizar ensayos no destructivos de ultrasonido y corrosión para determinar la calidad actual de los materiales. Realizar un diagnóstico operativo de la misma para analizar alternativas de ampliación/repotenciación. Realizar recomendaciones sobre la factibilidad de ampliación de la estructura en base a la condición actual de la estructura y a su operatividad diaria. 4. ALCANCE La presente memoria de evaluación civil estructural del CENTRO DE SALUD MARIANITAS, presenta el diagnóstico de los sistemas, así como su diagnóstico de su condición actual en base a la inspección y ensayos no destructivos
5. CONDICIÒN ACTUAL DE LAS ESTRUCTURA (DIAGNÒSTICO) El CENTRO DE SALUD MARIANITAS ubicada en la parroquia Calderón, Cantón Quito, actualmente no se encuentra operando debido a la poca funcionalidad y seguridad estructural que esta Ofrece para sus ocupantes.
6. ANALISIS DE CARGAS. 6.1. ANÁLISIS POR CARGA VERTICAL
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El Análisis Estructural por carga vertical contempla los estados básicos de carga muerta y carga viva: 6.1.1. Carga Muerta. Se subdivide en el Peso Propio, (PP), esto es, el peso de cada elemento estructural, (vigas, columnas, losa de compresión de 5cm), que son determinados por el programa en base de las secciones transversales de dichos elementos y el peso unitario del hormigón armado. Se considera como Carga Muerta Adicional, (CMA) 6.1.2. Carga Viva. Se considera, según el uso del edificio, como carga distribuida sobre la losa, se debe pensar que la edificación en cualquier instante puede verse afectada por alguna actividad física que puede ser ejecutada en un mismo tiempo por todos los ocupantes produciendo impactos en la estructura por lo que se toma como 203.04 kg/m2 debido a su ocupación de vivienda, como lo indica la NEC para edificaciones superiores a dos pisos se puede realizar una reducción de carga de hasta el 20%, dándonos como resultado una carga viva de 162,43 kg/m2 y se asumió de 165 kg/m2 y 71 kg/m2 en losa de cubierta como indica la NEC.
Patrones de carga utilizados. 7. ANÁLISIS SISMICO En el diseño de la estructura se ha considerado la acción de cargas de origen sísmico con el objeto de prevenir daños en los elementos estructurales y no estructurales bajo la acción de sismos, y evitar además el colapso de la estructura en el caso de un sismo severo, según lo estipula la NEC.
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Se debe tomar en cuenta que por tratarse de estructuras regulares tanto en planta como en elevación es suficiente la aplicación de procedimientos estáticos para la determinación de las fuerzas laterales. Las fuerzas sísmicas pueden provenir en cualquier dirección horizontal, pero se considera como estado crítico la acción no concurrente de las fuerzas sísmicas de diseño en la dirección de cada uno de los ejes principales de la estructura, las mismas que se denominan como Sismo X, y Sismo Y. Se ha considerado como carga sísmica reactiva W a la carga muerta total de la estructura, esto es el peso propio, (peso de vigas, columnas y loseta de compresión determinados por el programa), y la carga muerta adicional, (peso de recubrimientos y paredes, ingresados al programa como cargas distribuidas en losas). 7.1. DETERMINACIÓN DE LAS FUERZAS ESTATICAS El Cortante Basal Total de Diseño, V, que se aplica a la estructura en cada uno de los sentidos principales de cálculo, ( Vx, Vy ), y en forma no concurrentes determinado para cada una de las estructuras del edificio mediante las siguientes expresiones: De acuerod a la hubicación geografica y parametros de los estudios de suelo se determina lo siguiente: Datos Zona Sísmica
Z= Valor Factor Z= Peligro Sísmico=
Datos Geográficos y Geología Local Tipo de Perfil =
IV 0.40 Alta
C
r= Región ɳ=
1.5 Sierra, Esmeraldas y Galápagos 2.48
Características de la Edificación Altura de la Edificación
hn= 2,80 m
Coeficiente de Importancia I Categoría=
Otras estructuras
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I=
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1
Factor de reducción sísmico R R=
8
Regularidad / Configuración estructural Regularidad en planta
Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4
Regularidad en elevación Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3
ɸp= ɸp= ɸp= ɸp=
1 1 1 1
ɸe= ɸe= ɸe=
1 1 0.9
ɸp=
1
ɸe=
1
Coeficiente de Perfil de suelo Fa, Fd, Fs, Fa= 1.2 Fd= 1.11 Fs= 0.94 Nota: para perfiles tipo F no se proporciona valores de Fa, Fd, Fs, debido a que requieren un estudio especial. Espectro de respuesta elástica de aceleraciones
si si
Coeficiente Ct y α , de tipo de edificio Ct= α=
0.055 0.9
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Calculo del espectro de respuesta elástica de aceleraciones T= Tc=
0,16 0.56
Sa=
1,19
Calculo de Cortante basal de Diseño
Coeficiente Sísmico Ks=
0.223 *
W
En consecuencia el valor de Ks = 0.223, es el que se ha utilizado en la determinación del Cortante Basal.
En estructuras de edificios el valor de T se puede determinar de manera aproximada con la expresión:
T Ct (hn) Se ha asumido el valor Ct=0.055 para pórticos espaciales de hormigón. El valor de hn corresponde a la altura total del edificio.
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El factor de reducción de resistencia sísmica R, se asume R=8 para sistemas con pórticos sismo resistentes de hormigón armado con vigas descolgadas.
El coeficiente de cortante basal se ingresa como dato, para que el software calcule las fuerzas sísmicas en función de los pesos propios y cargas, transformadas luego a masas, en cada uno de los nudos del modelo.
Para seleccionar el perfil del suelo se analizó el informe de estudios de suelos teniendo un suelo tipo
Una vez definidos todos los factores que intervienen en el cálculo del Corte Basal, se procede a calcularlo, en función del peso de la estructura W:
Representa la carga reactiva por sismo. Se utiliza el caso general, para el cual: DONDE:
W= D Corte Basal calculado por el programa
7.2. DETERMINACIÓN DE LAS FUERZAS DINAMICAS (ANALSIS ESPECTRAL) La forma de calcular el espectro de respuesta es como sigue.
Figura 1. Espectro sísmico elástico de aceleraciones que representa el sismo de Diseño.
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Aplicando las fórmulas de la figura 1, se calculan los puntos para la construcción del espectro
Espectro sísmico inelástico de aceleraciones
7.2.1. CASOS DE CARGA PARA ANALISIS DINAMICO:
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8. MODELOS ESTRUCTURAL EN ETABS:
Modelo 3D de la edificación en condiciones actuales
Modelo 3D de la edificación ampliación 2 planta
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Modelo 3D de la edificación reforzada ampliación 2 planta
8.1. INGRESO DE DATOS: Columnas
Sección de columnas actuales Col 15X30cm
Sección de columnas reforzada Col 30x30cm
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Vigas de Hormigón
Sección de vigas banda actuales V30x20
Sección de columna para ampliación
Sección de viga para ampliación
8.2. COMBINACIONES DE CARGAS. De acuerdo a la disposición establecida en la NEC, en la que dice las estructuras, componentes y cimentaciones, deberán ser diseñadas de tal manera que la resistencia de diseño iguale o exceda los efectos de las cargas, de acuerdo a las siguientes combinaciones:
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8.3. MATERIALES El material predominante de la estructura es de hormigón f'c = 210 Kg./cm² (según los datos promedio obtenidos del informe esclerómetrico)
El acero tiene una fluencia de fy = 4200 Kg./cm². Tipo varilla corrugada. Las columnas y vigas metálicas para la ampliación de la segunda planta serán de A36.
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Las placas de anclaje serán de A36 Los pernos de anclaje serán de A520, con doble tuerca y arandela.
Hormigón en Vigas y Columnas (estructura actual)
Acero estructural en columnas y Vigas (ampliación)
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9. METODOLOGÍA DE CALCULO PARA EVALUCION DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES Todos los elementos estructurales se diseñan utilizando el Método de la Resistencia Última. Para determinar los esfuerzos internos de los elementos estructurales, fue necesario el uso del programa de computación Etabs Vs 9.7.1. el cual analiza la estructura tridimensionalmente. El programa calcula inicialmente la matriz de rigidez, considerando losas como elementos finitos. Para la obtención de las fuerzas sísmicas de diseño se utilizó el método de Análisis Estático el cual se explica en el numeral 4. Para el caso de la flexión se utilizó la siguiente expresión:
Mu bd 2 f ´c 1 0,59 Obteniendo los peraltes necesarios y acero de refuerzo para las vigas y para losas.
En ningún caso el refuerzo de los elementos estructurales debe ser menor que el acero mínimo propuesto por la NEC dado por la siguiente fórmula:
Asmín. 0,0033 b d Para el diseño cortante en vigas y losas se utilizó la siguiente expresión: Donde el cortante necesario es:
Vc 0,53 f ´c b d
VS Vu VC
Verificando que:VS VC En los casos necesarios se utilizó para refuerzo de estribos la expresión:
s
Av f yest . d Vs
No mayor que:
d
2
En los casos no necesarios se aplicó el acero de refuerzo mínimo según el ACI 318 - 08
Av
3,5bs f yest .
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CALCULO DEL ACERO DE REFUERZO PARA LA EVALUCION ESTRUCTURAL
10.
10.1.
VIGAS
La sección de acero de refuerzo de las vigas se ha limitado, como valor máximo a As= 0.0106 x b x d, y como valor mínimo a As = (14/fy) x b x d.
El análisis de las secciones mínimas de acero longitudinal y transversal en las vigas cumple con los requerimientos establecidos en las disposiciones especiales para diseño sismo resistente. Las armaduras diseñadas cubren la posibilidad de inversión de momentos durante la acción de un sismo.
10.2. COLUMNAS Las columnas han sido evaluadas para la combinación más crítica de cargas considerando, simultáneamente, los efectos de carga axial y de momentos biaxiales (momentos actuando simultáneamente en las dos direcciones ortogonales) que actúan sobre la sección transversal de una columna. La cuantía mínima de acero utilizada en las columnas deria ser de al menos 1% de acuerdo a las recomendaciones del ACI y el Código Ecuatoriano de la Construcción para diseño sismo-resistente.
Para garantizar el adecuado confinamiento de la columna los estribos rectangulares en las secciones críticas a flexo-compresión, los estribos a evaluar deberán estar en el extremo superior e inferior de la columna, se considera el área mínima de refuerzo transversal.
11.
RESULTADOS.
En el presente capítulo se da conocer los resultados obtenidos de los modelos estructurales que se realizaron para la evolución de la estructura, se especificara las condiciones de capacidad de carga en tres etapas diferentes resumidas a continuación. Etapa 1: Estructura actual, una planta. Etapa 2: Estructura actual, con ampliación de segunda planta. Etapa 3: estructura reforzada, con ampliación de segunda planta.
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ETAPA 1: ESTRUCTURA ACTUAL, UNA PLANTA. EVALUCION DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN COLUMNAS: El análisis de columnas se resume en el parámetro “Column P-M-M Interaction Ratios”, que significa la relación de DEMANDA / CAPACIDAD A FLEXOCOMPRESIÓN, en la siguiente tabla se explica los resultados:
“Column P-M-M Interaction Ratios”, RESULTADO
INTERPRETACIÓN
COLOR
OBSERVACIÓN
0.00-0.50
Diseño Sobredimensionado
Secciones muy grandes
0.50-0.70
Diseño ideal
Estructura Sismorresistente
0.70-0.90
Diseño sobre esforzado
Estructura Sismorresistente
0.90-1.00
Diseño a estado limite
Estructura sismorresistente limite
1.00 >
Falla de las columnas
estado
Falla del elemento
*Nota: La falla del elemento se daría solo en un evento sísmico de gran magnitud
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Column P-M-M Interaction Ratios
Column P-M-M Interaction Ratios (Eje 1)
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Column P-M-M Interaction Ratios (Eje C)
Diagram P-M-M Interaction Ratios columna más esforzada
Diagram P-M-M Interaction Ratios columna menos esforzada
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En los gráficos anteriores se puede interpretar que todas las columnas se encuentran fallando a flexión, debido al insuficiente acero de refuerzo que estas cuentan, y a la poca dimensión de un lado de la columna que no cumple con las dimensiones mínimas especificadas por el ACI y NEC15, cabe recalcar que todas las columnas están armadas con 4 varillas de 12mm y una sección trasversal de 15cm x30cm. EVALUCION DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN VIGAS:
En el grafico anterior se observa la cuantía de acero en vigas la cual cumple satisfactoria mente. Cabe recalcar que toda la viga (banda) están armadas con 2varillas de 12mm y 2 varillas de 14 tanto en la parte superior como inferior y tienen una sección trasversal de 30cm x 20cm.
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ETAPA 2: ESTRUCTURA ACTUAL, CON AMPLIACIÓN DE SEGUNDA PLANTA. EVALUCION DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN COLUMNAS: El análisis de columnas se resume en el parámetro “Column P-M-M Interaction Ratios”, que significa la relación de DEMANDA / CAPACIDAD A FLEXOCOMPRESIÓN, en la siguiente tabla se explica los resultados:
“Column P-M-M Interaction Ratios”, RESULTADO
INTERPRETACIÓN
COLOR
OBSERVACIÓN
0.00-0.50
Diseño Sobredimensionado
Secciones muy grandes
0.50-0.70
Diseño ideal
Estructura Sismorresistente
0.70-0.90
Diseño sobre esforzado
Estructura Sismorresistente
0.90-1.00
Diseño a estado limite
Estructura sismorresistente limite
1.00 >
Falla de las columnas
estado
Falla del elemento
*Nota: La falla del elemento se daría solo en un evento sísmico de gran magnitud
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Column P-M-M Interaction Ratios
Column P-M-M Interaction Ratios (Eje 1)
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Column P-M-M Interaction Ratios (Eje C)
Diagram P-M-M Interaction Ratios columna más esforzada
Diagram P-M-M Interaction Ratios columna menos esforzada
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En los gráficos anteriores se puede interpretar que todas las columnas se encuentran fallando a flexión, debido al insuficiente acero de refuerzo que estas cuentan, y a la poca dimensión de un lado de la columna que no cumple con las dimensiones mínimas especificadas por el ACI y NEC15, cabe recalcar que todas las columnas están armadas con 4 varillas de 12mm y una sección trasversal de 15cm x30cm. EVALUCION DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN VIGAS:
En el grafico anterior se observa la cuantía de acero en vigas la cual cumple satisfactoria mente. Cabe recalcar que toda la viga (banda) están armadas con 2varillas de 12mm y 2 varillas de 14 tanto en la parte superior como inferior y tienen una sección trasversal de 30cm x 20cm.
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ETAPA 3: ESTRUCTURA REFORZADA, CON AMPLIACIÓN DE SEGUNDA PLANTA. EVALUCION DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN COLUMNAS: El análisis de columnas se resume en el parámetro “Column P-M-M Interaction Ratios”, que significa la relación de DEMANDA / CAPACIDAD A FLEXOCOMPRESIÓN, en la siguiente tabla se explica los resultados:
“Column P-M-M Interaction Ratios”, RESULTADO
INTERPRETACIÓN
COLOR
OBSERVACIÓN
0.00-0.50
Diseño Sobredimensionado
Secciones muy grandes
0.50-0.70
Diseño ideal
Estructura Sismorresistente
0.70-0.90
Diseño sobre esforzado
Estructura Sismorresistente
0.90-1.00
Diseño a estado limite
Estructura sismorresistente limite
1.00 >
Falla de las columnas
estado
Falla del elemento
*Nota: La falla del elemento se daría solo en un evento sísmico de gran magnitud
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Column P-M-M Interaction Ratios
Column P-M-M Interaction Ratios (Eje 1)
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Column P-M-M Interaction Ratios (Eje C)
Diagram P-M-M Interaction Ratios columna más esforzada
Diagram P-M-M Interaction Ratios columna menos esforzada
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En los gráficos anteriores se puede interpretar que todas las columnas se encuentran con una capacidad de carga adecuada, a las solicitaciones tanta de carga vertical como a cargas sísmicas expuestas anteriormente, EVALUCION DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN VIGAS:
En el grafico anterior se observa la cuantía de acero en vigas la cual cumple satisfactoria mente. Cabe recalcar que toda la viga (banda) están armadas con 2varillas de 12mm y 2 varillas de 14 tanto en la parte superior como inferior y tienen una sección trasversal de 30cm x 20cm.
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ETAPA 1: ESTRUCTURA ACTUAL, UNA PLANTA. CALCULO DE LAS DERIVAS DE PISO Luego de conformada la estructura, e introducidos los datos de materiales, geometría de las secciones de los elementos estructurales, los coeficientes para el cálculo del corte basal, y demás parámetros, para los siguientes estados básicos de análisis estructural. Con los resultados del análisis estructural, se ha considerado los estados de carga relacionados con el Análisis Sísmico, Sx, Sy, obteniéndose para cada caso el desplazamiento de los nudos de la estructura, en función de los cuales se puede calcular las derivas estáticas ДE para cada dirección de aplicación de las fuerzas laterales. Se selecciona uno o varios puntos de la estructura y se determina el desplazamiento en cada entrepiso, Di. Se obtiene la diferencia del desplazamiento entre el punto superior e inferior ДD= (Di+1 – Di ), entonces la deriva del piso, siendo L el altura de entrepiso, es igual: ДE = ДD /L Para edificios de hormigón armado se establece una respuesta máxima inelástica en desplazamientos, ДM , causada por el sismo de diseño, la misma que para el caso de edificios es de ДM = 0.02. Calculo de la deriva máxima de piso: ДM = 0.75 R * ДE Datos obtenidos del modelo estructural:
Deriva máxima elástica de piso en x es de 0.00147
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Deriva máxima elástica de piso en Y es de 0.0039
Se puede notar que las derivas calculadas en sentido Y, exceden lo establecido en la Norma Ecuatoriana de la construcción NEC. La deriva máxima en Y es de 0.0234 ETAPA 2: ESTRUCTURA ACTUAL, CON AMPLIACIÓN DE SEGUNDA PLANTA. CALCULO DE LAS DERIVAS DE PISO
Deriva máxima elástica de piso en X es de 0.0022
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Deriva máxima elástica de piso en Y es de 0.00437
Se puede notar que las derivas calculadas en sentido Y, exceden lo establecido en la Norma Ecuatoriana de la construcción NEC. La deriva máxima en Y es de 0.0262 ETAPA 3: ESTRUCTURA REFORZADA, CON AMPLIACIÓN DE SEGUNDA PLANTA. CALCULO DE LAS DERIVAS DE PISO
Deriva máxima elástica de piso en x es de 0.00147
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Deriva máxima elástica de piso en Y es de 0.00147
Se puede notar que las derivas calculadas en sentido Y para la estructura reforzada, NO exceden lo establecido en la Norma Ecuatoriana de la construcción NEC. La deriva máxima en Y es de 0.0084 OK
12.
CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES.
De los resultados de la investigación tanto analítica como de prueba de materiales, se hace las siguientes recomendaciones:
Se hace necesario introducir un proceso de rehabilitación sísmica. Se han identificado esencialmente varios tipos de vulnerabilidades, la más significativa es la deficiencia en capacidad a flexión de todas las columnas que conlleva a tener poca capacidad de carga en las mismas.
Las columnas aportan poca rigidez lateral debido a la carencia de dimensiones adecuadas.
Con relación a la deficiencia de capacidad Generalizada, presenta en la estructura la necesidad de un proceso de rehabilitación sísmica global. Dicho proceso de rehabilitación es una labor que involucra aspectos fundamentales como:
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1. Aumentar las capacidades de los elementos deficientes por medio de un estudio y diseños estructurales de reforzamiento de los elementos. 2.
Diseñar una estructura auxiliar de manera que se eliminen las demandas en los Elementos críticos. Dado a la insuficiente capacidad de carga de las columnas y zapatas, ante las solicitaciones tanto sísmicas como de cargas a gravedad (verticales), se recomienda derrocar la estructura.
Comentario La Evaluación del riesgo sísmico y la rehabilitación sísmica es una tarea compleja e intimidante. Planificar para un riesgo que viene con el tiempo, pero que pasa de manera poco frecuente es dificultoso. Los terremotos son únicos en cuanto a desastres naturales ya que puede ocurrir sin aviso. FEMA, hazard mitigation, seismic rehabilitation process..
Elaborado por:
Ing. Diego F. León S. ESPECIALISTA CIVIL - ESTRUCTURAL
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ACRONIMOS. ................................................................................................................................. 3
2.
INTRDUCCIÓN ............................................................................................................................... 3
3.
GENERALIDADES. ......................................................................... Error! Bookmark not defined. 3.1. OBJETIVOS Y ALCANCE DEL ESTUDIO .... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 3.2. DESCRIPCIÓN DEL MODELO ESTRUCTURAL ........... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
4.
ANALISIS DE CARGAS. .............................................................................................................. 4 4.1. ANÁLIIS POR CARGA VERTICAL ........................................................................... 4 4.1.1. Carga Muerta. ................................................................................................................. 5 4.1.2. Carga Viva. ...................................................................................................................... 5
5.
ANÁLISIS POR SISMICO............................................................................................................. 5 5.1. DETERMINACIÓN DE LAS FUERZAS ESTÁTICAS ............................................... 6 5.2. DETERMINACIÓN DE L FUERZAS DINAMICAS (ANALSIS ESPECTRAL) ........... 9 5.2.1. CASOS DE CARGA PARA ANALISIS DINAMICO: ................................................. 10 5.2.2. AJUSTE DEL CORTE BASAL ........................................ Error! Bookmark not defined.
6.1.
INGRESO DE DATOS: ............................................................................................................ 12 6.2. COMBINACIONES DE CARGAS. ........................................................................... 13 6.3. MATERIALES.......................................................................................................... 14
7.
METODOLOGÍA DEL DISEÑO ............................................................................................... 16
8.
PARÁMETROS DE SUELO. .......................................................... Error! Bookmark not defined. 8.1. RECOMENDACIONES. ................................ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
9.
DETALLE DEL ACERO DE REFUERZO ................................................................................. 17 9.1. VIGAS ..................................................................................................................... 17 9.2. COLUMNAS ............................................................................................................ 17 10. CALCULO DE LAS DERIVAS DE PISO .................................................................. 30
11.
CONTROL DURANTE LA CONSTRUCCIÓN......................... Error! Bookmark not defined.
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12.
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RESULTADOS. ......................................................................................................................... 17
1. ACRONIMOS. Para el presente informe técnico de la evolución estructural del centro de salud marianitas se procedió a utilizar las siguientes normas: NEC Norma Ecuatoriana de la Construcción. ACI-318-2011
American Concrete Institute, commite 318
AISC-360-10 American Airon and Style Construction commite 360, año 2010.
2.
INTRODUCCIÓN El presente informe tiene como finalidad reflejar los resultados del estudio estructural efectuado a la edificación centro de salud marianitas, ubicada en la parroquia Calderón, Cantón Quito, Ecuador. Dada la naturaleza de la estructuración, compuesta esencialmente por un sistema aporticado de hormigón armado con vigas banda, el método de análisis para la evolución estructural fue el Análisis sísmico-estático equivalente y el análisis dinámico modalespectral. Que para este tipo de estructura tiene una excelente confiabilidad en la determinación de las demandas sobre las estructuras y en las evaluaciones de las capacidades. La demanda como representación de los efectos de las acciones (gravitación, sismo), la capacidad como la capacidad que posee la estructura para resistir la demanda.
3.
OBJETIVO. 3.1.
OBJETIVO GENERAL
Realizar la inspección técnica del ESTADO ACTUAL desde el punto de vista estructural del centro de salud Marianitas 3.2. OBJETIVO ESPECIFICO.
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Realizar la inspección física de las instalaciones civiles estructurales del centro salud Marianitas Describir el estado actual de la estructura en base a la inspección en sitio. Realizar ensayos no destructivos de ultrasonido y corrosión para determinar la calidad actual de los materiales. Realizar un diagnóstico operativo de la misma para analizar alternativas de ampliación/repotenciación. Realizar recomendaciones sobre la factibilidad de ampliación de la estructura en base a la condición actual de la estructura y a su operatividad diaria. 4. ALCANCE La presente memoria de evaluación civil estructural del CENTRO DE SALUD MARIANITAS, presenta el diagnóstico de los sistemas, así como su diagnóstico de su condición actual en base a la inspección y ensayos no destructivos
5. CONDICIÒN ACTUAL DE LAS ESTRUCTURA (DIAGNÒSTICO) El CENTRO DE SALUD MARIANITAS ubicada en la parroquia Calderón, Cantón Quito, actualmente no se encuentra operando debido a la poca funcionalidad y seguridad estructural que esta Ofrece para sus ocupantes.
6. ANALISIS DE CARGAS. 6.1. ANÁLISIS POR CARGA VERTICAL
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El Análisis Estructural por carga vertical contempla los estados básicos de carga muerta y carga viva: 6.1.1. Carga Muerta. Se subdivide en el Peso Propio, (PP), esto es, el peso de cada elemento estructural, (vigas, columnas, losa de compresión de 5cm), que son determinados por el programa en base de las secciones transversales de dichos elementos y el peso unitario del hormigón armado. Se considera como Carga Muerta Adicional, (CMA) 6.1.2. Carga Viva. Se considera, según el uso del edificio, como carga distribuida sobre la losa, se debe pensar que la edificación en cualquier instante puede verse afectada por alguna actividad física que puede ser ejecutada en un mismo tiempo por todos los ocupantes produciendo impactos en la estructura por lo que se toma como 203.04 kg/m2 debido a su ocupación de vivienda, como lo indica la NEC para edificaciones superiores a dos pisos se puede realizar una reducción de carga de hasta el 20%, dándonos como resultado una carga viva de 162,43 kg/m2 y se asumió de 165 kg/m2 y 71 kg/m2 en losa de cubierta como indica la NEC.
Patrones de carga utilizados. 7. ANÁLISIS SISMICO En el diseño de la estructura se ha considerado la acción de cargas de origen sísmico con el objeto de prevenir daños en los elementos estructurales y no estructurales bajo la acción de sismos, y evitar además el colapso de la estructura en el caso de un sismo severo, según lo estipula la NEC.
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Se debe tomar en cuenta que por tratarse de estructuras regulares tanto en planta como en elevación es suficiente la aplicación de procedimientos estáticos para la determinación de las fuerzas laterales. Las fuerzas sísmicas pueden provenir en cualquier dirección horizontal, pero se considera como estado crítico la acción no concurrente de las fuerzas sísmicas de diseño en la dirección de cada uno de los ejes principales de la estructura, las mismas que se denominan como Sismo X, y Sismo Y. Se ha considerado como carga sísmica reactiva W a la carga muerta total de la estructura, esto es el peso propio, (peso de vigas, columnas y loseta de compresión determinados por el programa), y la carga muerta adicional, (peso de recubrimientos y paredes, ingresados al programa como cargas distribuidas en losas). 7.1. DETERMINACIÓN DE LAS FUERZAS ESTATICAS El Cortante Basal Total de Diseño, V, que se aplica a la estructura en cada uno de los sentidos principales de cálculo, ( Vx, Vy ), y en forma no concurrentes determinado para cada una de las estructuras del edificio mediante las siguientes expresiones: De acuerod a la hubicación geografica y parametros de los estudios de suelo se determina lo siguiente: Datos Zona Sísmica
Z= Valor Factor Z= Peligro Sísmico=
Datos Geográficos y Geología Local Tipo de Perfil =
IV 0.40 Alta
C
r= Región ɳ=
1.5 Sierra, Esmeraldas y Galápagos 2.48
Características de la Edificación Altura de la Edificación
hn= 2,80 m
Coeficiente de Importancia I Categoría=
Otras estructuras
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I=
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1
Factor de reducción sísmico R R=
8
Regularidad / Configuración estructural Regularidad en planta
Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4
Regularidad en elevación Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3
ɸp= ɸp= ɸp= ɸp=
1 1 1 1
ɸe= ɸe= ɸe=
1 1 0.9
ɸp=
1
ɸe=
1
Coeficiente de Perfil de suelo Fa, Fd, Fs, Fa= 1.2 Fd= 1.11 Fs= 0.94 Nota: para perfiles tipo F no se proporciona valores de Fa, Fd, Fs, debido a que requieren un estudio especial. Espectro de respuesta elástica de aceleraciones
si si
Coeficiente Ct y α , de tipo de edificio Ct= α=
0.055 0.9
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Calculo del espectro de respuesta elástica de aceleraciones T= Tc=
0,16 0.56
Sa=
1,19
Calculo de Cortante basal de Diseño
Coeficiente Sísmico Ks=
0.223 *
W
En consecuencia el valor de Ks = 0.223, es el que se ha utilizado en la determinación del Cortante Basal.
En estructuras de edificios el valor de T se puede determinar de manera aproximada con la expresión:
T Ct (hn) Se ha asumido el valor Ct=0.055 para pórticos espaciales de hormigón. El valor de hn corresponde a la altura total del edificio.
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El factor de reducción de resistencia sísmica R, se asume R=8 para sistemas con pórticos sismo resistentes de hormigón armado con vigas descolgadas.
El coeficiente de cortante basal se ingresa como dato, para que el software calcule las fuerzas sísmicas en función de los pesos propios y cargas, transformadas luego a masas, en cada uno de los nudos del modelo.
Para seleccionar el perfil del suelo se analizó el informe de estudios de suelos teniendo un suelo tipo
Una vez definidos todos los factores que intervienen en el cálculo del Corte Basal, se procede a calcularlo, en función del peso de la estructura W:
Representa la carga reactiva por sismo. Se utiliza el caso general, para el cual: DONDE:
W= D Corte Basal calculado por el programa
7.2. DETERMINACIÓN DE LAS FUERZAS DINAMICAS (ANALSIS ESPECTRAL) La forma de calcular el espectro de respuesta es como sigue.
Figura 1. Espectro sísmico elástico de aceleraciones que representa el sismo de Diseño.
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Aplicando las fórmulas de la figura 1, se calculan los puntos para la construcción del espectro
Espectro sísmico inelástico de aceleraciones
7.2.1. CASOS DE CARGA PARA ANALISIS DINAMICO:
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8. MODELOS ESTRUCTURAL EN ETABS:
Modelo 3D de la edificación en condiciones actuales
Modelo 3D de la edificación ampliación 2 planta
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Modelo 3D de la edificación reforzada ampliación 2 planta
8.1. INGRESO DE DATOS: Columnas
Sección de columnas actuales Col 15X30cm
Sección de columnas reforzada Col 30x30cm
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Vigas de Hormigón
Sección de vigas banda actuales V30x20
Sección de columna para ampliación
Sección de viga para ampliación
8.2. COMBINACIONES DE CARGAS. De acuerdo a la disposición establecida en la NEC, en la que dice las estructuras, componentes y cimentaciones, deberán ser diseñadas de tal manera que la resistencia de diseño iguale o exceda los efectos de las cargas, de acuerdo a las siguientes combinaciones:
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8.3. MATERIALES El material predominante de la estructura es de hormigón f'c = 210 Kg./cm² (según los datos promedio obtenidos del informe esclerómetrico)
El acero tiene una fluencia de fy = 4200 Kg./cm². Tipo varilla corrugada. Las columnas y vigas metálicas para la ampliación de la segunda planta serán de A36.
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Las placas de anclaje serán de A36 Los pernos de anclaje serán de A520, con doble tuerca y arandela.
Hormigón en Vigas y Columnas (estructura actual)
Acero estructural en columnas y Vigas (ampliación)
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9. METODOLOGÍA DE CALCULO PARA EVALUCION DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES Todos los elementos estructurales se diseñan utilizando el Método de la Resistencia Última. Para determinar los esfuerzos internos de los elementos estructurales, fue necesario el uso del programa de computación Etabs Vs 9.7.1. el cual analiza la estructura tridimensionalmente. El programa calcula inicialmente la matriz de rigidez, considerando losas como elementos finitos. Para la obtención de las fuerzas sísmicas de diseño se utilizó el método de Análisis Estático el cual se explica en el numeral 4. Para el caso de la flexión se utilizó la siguiente expresión:
Mu bd 2 f ´c 1 0,59 Obteniendo los peraltes necesarios y acero de refuerzo para las vigas y para losas.
En ningún caso el refuerzo de los elementos estructurales debe ser menor que el acero mínimo propuesto por la NEC dado por la siguiente fórmula:
Asmín. 0,0033 b d Para el diseño cortante en vigas y losas se utilizó la siguiente expresión: Donde el cortante necesario es:
Vc 0,53 f ´c b d
VS Vu VC
Verificando que:VS VC En los casos necesarios se utilizó para refuerzo de estribos la expresión:
s
Av f yest . d Vs
No mayor que:
d
2
En los casos no necesarios se aplicó el acero de refuerzo mínimo según el ACI 318 - 08
Av
3,5bs f yest .
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CALCULO DEL ACERO DE REFUERZO PARA LA EVALUCION ESTRUCTURAL
10.
10.1.
VIGAS
La sección de acero de refuerzo de las vigas se ha limitado, como valor máximo a As= 0.0106 x b x d, y como valor mínimo a As = (14/fy) x b x d.
El análisis de las secciones mínimas de acero longitudinal y transversal en las vigas cumple con los requerimientos establecidos en las disposiciones especiales para diseño sismo resistente. Las armaduras diseñadas cubren la posibilidad de inversión de momentos durante la acción de un sismo.
10.2. COLUMNAS Las columnas han sido evaluadas para la combinación más crítica de cargas considerando, simultáneamente, los efectos de carga axial y de momentos biaxiales (momentos actuando simultáneamente en las dos direcciones ortogonales) que actúan sobre la sección transversal de una columna. La cuantía mínima de acero utilizada en las columnas deria ser de al menos 1% de acuerdo a las recomendaciones del ACI y el Código Ecuatoriano de la Construcción para diseño sismo-resistente.
Para garantizar el adecuado confinamiento de la columna los estribos rectangulares en las secciones críticas a flexo-compresión, los estribos a evaluar deberán estar en el extremo superior e inferior de la columna, se considera el área mínima de refuerzo transversal.
11.
RESULTADOS.
En el presente capítulo se da conocer los resultados obtenidos de los modelos estructurales que se realizaron para la evolución de la estructura, se especificara las condiciones de capacidad de carga en tres etapas diferentes resumidas a continuación. Etapa 1: Estructura actual, una planta. Etapa 2: Estructura actual, con ampliación de segunda planta. Etapa 3: estructura reforzada, con ampliación de segunda planta.
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ETAPA 1: ESTRUCTURA ACTUAL, UNA PLANTA. EVALUCION DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN COLUMNAS: El análisis de columnas se resume en el parámetro “Column P-M-M Interaction Ratios”, que significa la relación de DEMANDA / CAPACIDAD A FLEXOCOMPRESIÓN, en la siguiente tabla se explica los resultados:
“Column P-M-M Interaction Ratios”, RESULTADO
INTERPRETACIÓN
COLOR
OBSERVACIÓN
0.00-0.50
Diseño Sobredimensionado
Secciones muy grandes
0.50-0.70
Diseño ideal
Estructura Sismorresistente
0.70-0.90
Diseño sobre esforzado
Estructura Sismorresistente
0.90-1.00
Diseño a estado limite
Estructura sismorresistente limite
1.00 >
Falla de las columnas
estado
Falla del elemento
*Nota: La falla del elemento se daría solo en un evento sísmico de gran magnitud
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Column P-M-M Interaction Ratios
Column P-M-M Interaction Ratios (Eje 1)
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Column P-M-M Interaction Ratios (Eje C)
Diagram P-M-M Interaction Ratios columna más esforzada
Diagram P-M-M Interaction Ratios columna menos esforzada
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En los gráficos anteriores se puede interpretar que todas las columnas se encuentran fallando a flexión, debido al insuficiente acero de refuerzo que estas cuentan, y a la poca dimensión de un lado de la columna que no cumple con las dimensiones mínimas especificadas por el ACI y NEC15, cabe recalcar que todas las columnas están armadas con 4 varillas de 12mm y una sección trasversal de 15cm x30cm. EVALUCION DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN VIGAS:
En el grafico anterior se observa la cuantía de acero en vigas la cual cumple satisfactoria mente. Cabe recalcar que toda la viga (banda) están armadas con 2varillas de 12mm y 2 varillas de 14 tanto en la parte superior como inferior y tienen una sección trasversal de 30cm x 20cm.
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ETAPA 2: ESTRUCTURA ACTUAL, CON AMPLIACIÓN DE SEGUNDA PLANTA. EVALUCION DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN COLUMNAS: El análisis de columnas se resume en el parámetro “Column P-M-M Interaction Ratios”, que significa la relación de DEMANDA / CAPACIDAD A FLEXOCOMPRESIÓN, en la siguiente tabla se explica los resultados:
“Column P-M-M Interaction Ratios”, RESULTADO
INTERPRETACIÓN
COLOR
OBSERVACIÓN
0.00-0.50
Diseño Sobredimensionado
Secciones muy grandes
0.50-0.70
Diseño ideal
Estructura Sismorresistente
0.70-0.90
Diseño sobre esforzado
Estructura Sismorresistente
0.90-1.00
Diseño a estado limite
Estructura sismorresistente limite
1.00 >
Falla de las columnas
estado
Falla del elemento
*Nota: La falla del elemento se daría solo en un evento sísmico de gran magnitud
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Column P-M-M Interaction Ratios
Column P-M-M Interaction Ratios (Eje 1)
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Column P-M-M Interaction Ratios (Eje C)
Diagram P-M-M Interaction Ratios columna más esforzada
Diagram P-M-M Interaction Ratios columna menos esforzada
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En los gráficos anteriores se puede interpretar que todas las columnas se encuentran fallando a flexión, debido al insuficiente acero de refuerzo que estas cuentan, y a la poca dimensión de un lado de la columna que no cumple con las dimensiones mínimas especificadas por el ACI y NEC15, cabe recalcar que todas las columnas están armadas con 4 varillas de 12mm y una sección trasversal de 15cm x30cm. EVALUCION DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN VIGAS:
En el grafico anterior se observa la cuantía de acero en vigas la cual cumple satisfactoria mente. Cabe recalcar que toda la viga (banda) están armadas con 2varillas de 12mm y 2 varillas de 14 tanto en la parte superior como inferior y tienen una sección trasversal de 30cm x 20cm.
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ETAPA 3: ESTRUCTURA REFORZADA, CON AMPLIACIÓN DE SEGUNDA PLANTA. EVALUCION DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN COLUMNAS: El análisis de columnas se resume en el parámetro “Column P-M-M Interaction Ratios”, que significa la relación de DEMANDA / CAPACIDAD A FLEXOCOMPRESIÓN, en la siguiente tabla se explica los resultados:
“Column P-M-M Interaction Ratios”, RESULTADO
INTERPRETACIÓN
COLOR
OBSERVACIÓN
0.00-0.50
Diseño Sobredimensionado
Secciones muy grandes
0.50-0.70
Diseño ideal
Estructura Sismorresistente
0.70-0.90
Diseño sobre esforzado
Estructura Sismorresistente
0.90-1.00
Diseño a estado limite
Estructura sismorresistente limite
1.00 >
Falla de las columnas
estado
Falla del elemento
*Nota: La falla del elemento se daría solo en un evento sísmico de gran magnitud
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Column P-M-M Interaction Ratios
Column P-M-M Interaction Ratios (Eje 1)
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Column P-M-M Interaction Ratios (Eje C)
Diagram P-M-M Interaction Ratios columna más esforzada
Diagram P-M-M Interaction Ratios columna menos esforzada
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En los gráficos anteriores se puede interpretar que todas las columnas se encuentran con una capacidad de carga adecuada, a las solicitaciones tanta de carga vertical como a cargas sísmicas expuestas anteriormente, EVALUCION DE LA CAPACIDAD DE CARGA EN VIGAS:
En el grafico anterior se observa la cuantía de acero en vigas la cual cumple satisfactoria mente. Cabe recalcar que toda la viga (banda) están armadas con 2varillas de 12mm y 2 varillas de 14 tanto en la parte superior como inferior y tienen una sección trasversal de 30cm x 20cm.
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ETAPA 1: ESTRUCTURA ACTUAL, UNA PLANTA. CALCULO DE LAS DERIVAS DE PISO Luego de conformada la estructura, e introducidos los datos de materiales, geometría de las secciones de los elementos estructurales, los coeficientes para el cálculo del corte basal, y demás parámetros, para los siguientes estados básicos de análisis estructural. Con los resultados del análisis estructural, se ha considerado los estados de carga relacionados con el Análisis Sísmico, Sx, Sy, obteniéndose para cada caso el desplazamiento de los nudos de la estructura, en función de los cuales se puede calcular las derivas estáticas ДE para cada dirección de aplicación de las fuerzas laterales. Se selecciona uno o varios puntos de la estructura y se determina el desplazamiento en cada entrepiso, Di. Se obtiene la diferencia del desplazamiento entre el punto superior e inferior ДD= (Di+1 – Di ), entonces la deriva del piso, siendo L el altura de entrepiso, es igual: ДE = ДD /L Para edificios de hormigón armado se establece una respuesta máxima inelástica en desplazamientos, ДM , causada por el sismo de diseño, la misma que para el caso de edificios es de ДM = 0.02. Calculo de la deriva máxima de piso: ДM = 0.75 R * ДE Datos obtenidos del modelo estructural:
Deriva máxima elástica de piso en x es de 0.00147
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Deriva máxima elástica de piso en Y es de 0.0039
Se puede notar que las derivas calculadas en sentido Y, exceden lo establecido en la Norma Ecuatoriana de la construcción NEC. La deriva máxima en Y es de 0.0234 ETAPA 2: ESTRUCTURA ACTUAL, CON AMPLIACIÓN DE SEGUNDA PLANTA. CALCULO DE LAS DERIVAS DE PISO
Deriva máxima elástica de piso en X es de 0.0022
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Deriva máxima elástica de piso en Y es de 0.00437
Se puede notar que las derivas calculadas en sentido Y, exceden lo establecido en la Norma Ecuatoriana de la construcción NEC. La deriva máxima en Y es de 0.0262 ETAPA 3: ESTRUCTURA REFORZADA, CON AMPLIACIÓN DE SEGUNDA PLANTA. CALCULO DE LAS DERIVAS DE PISO
Deriva máxima elástica de piso en x es de 0.00147
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Deriva máxima elástica de piso en Y es de 0.00147
Se puede notar que las derivas calculadas en sentido Y para la estructura reforzada, NO exceden lo establecido en la Norma Ecuatoriana de la construcción NEC. La deriva máxima en Y es de 0.0084 OK
12.
CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES.
De los resultados de la investigación tanto analítica como de prueba de materiales, se hace las siguientes recomendaciones:
Se hace necesario introducir un proceso de rehabilitación sísmica. Se han identificado esencialmente varios tipos de vulnerabilidades, la más significativa es la deficiencia en capacidad a flexión de todas las columnas que conlleva a tener poca capacidad de carga en las mismas.
Las columnas aportan poca rigidez lateral debido a la carencia de dimensiones adecuadas.
Con relación a la deficiencia de capacidad Generalizada, presenta en la estructura la necesidad de un proceso de rehabilitación sísmica global. Dicho proceso de rehabilitación es una labor que involucra aspectos fundamentales como:
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1. Aumentar las capacidades de los elementos deficientes por medio de un estudio y diseños estructurales de reforzamiento de los elementos. 2.
Diseñar una estructura auxiliar de manera que se eliminen las demandas en los Elementos críticos. Dado a la insuficiente capacidad de carga de las columnas y zapatas, ante las solicitaciones tanto sísmicas como de cargas a gravedad (verticales), se recomienda derrocar la estructura.
Comentario La Evaluación del riesgo sísmico y la rehabilitación sísmica es una tarea compleja e intimidante. Planificar para un riesgo que viene con el tiempo, pero que pasa de manera poco frecuente es dificultoso. Los terremotos son únicos en cuanto a desastres naturales ya que puede ocurrir sin aviso. FEMA, hazard mitigation, seismic rehabilitation process..
Elaborado por:
Ing. Diego F. León S. ESPECIALISTA CIVIL - ESTRUCTURAL
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