vivienda de acero vs. hormigÓn

Vivienda de Acero laminado en caliente Ing. Xavier Vallejo R.

VIVIENDA DE ACERO DE DOS PISOS

Figura 1.- Esquema del edificio en planta.

Figura 2.- Esquema del edificio en elevación y espacial.


ESTIMACIÓN DE CARGAS CARGA MUERTA: La carga muerta se la va a analizar de tal manera que nos sirva para poder pre-dimensionar los elementos de soporte, estos son: viguetas, vigas, losas colaborantes (deck) y columnas. Para adoptar el espesor de la placa colaborante, se ha impuesto una separación entre viguetas de apoyo de 1.17m de distancia. No se incluye el peso propio de la estructura en éste análisis debido a que el programa estructural ETABS lo hace de forma automática. p.p. placa colaborante: 6.48 kg/m2 p.p. hormigón sobre placa colaborante(deck) e=5cm 0.075m3/m2*2400kg/m3 180.00 kg/m2 p.p. masillado/acabados: 0.04m*1m*1m*2200kg/m3 88.00 kg/m2 p.p. cielo falso: 20.00 kg/m2 p.p. paredes: (edificios) 150.00 kg/m2 Carga muerta (CM): 444.48 kg/m2 CARGA VIVA: Según en código Ecuatoriano de la construcción, para edificaciones de vivienda se debe utilizar la carga viva de 200 kg/m2. Carga viva (CV): 200.00 kg/m2 PRE-DIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PREDIMENSIONAMIENTO DE LOSA COOPERANTE Como se menciona en los párrafos anteriores, la separación entre viguetas de apoyo de la losa colaborante se la va a asumir de 1.17m, razón por la que los manuales de los fabricantes de deck recomiendan que se adopte de acuerdo a la carga sobreimpuesta, es decir la carga muerta mas la carga viva, pero descontando el peso propio del hormigón que está sobre la placa colaborante. Para este caso: CM: 444.48 kg/m2 (-) p.p placa colaborante 6.48 kg/m2 (-) p.p hormigón 180.00 kg/m2 CM1= 258.00 kg/m2 CV= 200.00 kg/m2 Carga sobreimpuesta= 458.00 kg/m2


Para ésta magnitud de carga, los catálogos de los fabricantes nos recomienda un espesor de 5cm de hormigón sobre el cumbrero del deck, así como un deck de espesor no menor a 0.65mm. Hay que tener muy en cuenta que la máxima luz sin apuntalar que nos da el catálogo del fabricante es de 1.63m, es decir que a partir de ésta dimensión en el momento de la fundición hará falta apuntalar la placa colaborante, para evitar pandeos de la misma.

METALDECK

VIGA SOPORTE

GATOS METALICOS

APUNTALAMIENTO TEMPORAL

VIGA SOPORTE

APOYO INTERMEDIO PARA EVITAR DEFLEXIONES EN EL METALDECK AL MOMENTO DE HACER EL VACIADO DEL CONCRETO. ES UTILIZADO PARA GRANDES LUCES.

Figura 3.- Apuntalamiento intermedio en caso de que la luz supere a la máxima que emiten los catálogos del fabricante. Para evitar lo mostrado en la figura anterior, se asume una separación entre viguetas de apoyo de 1.17m la misma que es menor a la máxima luz sin apuntalar que nos recomienda las catálogos del fabricante, quedando la repartición tal como se muestra a continuación.

Figura 4.- Repartición de viguetas de soporte de deck en todas la plantas.


PRE-DIMENSIONADO DE ELEMENTOS

PRE-DIMENSIONAMIENTO DE VIGUETAS DE SOPORTE DE DECK.

Area cooperante para la vigueta a diseñar. Vigueta para

diseño

Figura 5.- Determinación del ancho colaborante de la placa deck. Para el prediseño de las viguetas se ha considerado la más crítica, con el área cooperante mas grande, debido a que esta es la más esforzada. Longitud libre Llibre=3.00 m Ancho cooperante

[ ]mac

mac

LLac

17.12

17.117.12

21

=

+=

+=

Cargas para prediseño Para el prediseño solo se va a considerar la carga muerta + la carga viva. La vigueta se la modela como simplemente apoyada, debido a que la fijación es


en el alma de las vigas principales cargadoras y por ende no representa una fijación total de empotramiento perfecto.

2

2

2

48.644

00.200

48.444

mKgW

mKgL

mKgD

LD =

=

=

+

Calculo de las carga Uniformes

( )( )

mKgq

mKgmq

acWq LD

04.754

17.148.644

=

×=

×= +

Calculo del momento último

[ ]mKgM

M

lqM

u

u

u

.00.30.8488

00.304.7548

2

2

=

×=

×=


Esfuerzo Admisible ( )bF (se asume que la sección es no compacta)

2

2

6.1518

25316.0

6.0

cmKgF

cmKgF

FyF

b

b

b

=

×=

×=

Módulo resistente ( )W

3

2

86.55

6.15181

100.30.848

.

cmWcm

KgmcmmKg

W

FMW

cIWcon

IcMF

b

b

=

×=

=

==

Se ha basado en los catálogos de perfilaría China importada por DIPAC. Se tiene algunas vigas que cumplen con el módulo resistente necesario, pero también se va a analizar los pesos por cada metro lineal de elemento, tal como se tiene a continuación: Designación Wxx [cm3] Peso [kg/m] HEB 100x100 76.50 17.20 IPE 150x75 90.60 14.30 O.K. Si se analiza las condiciones presentadas se puede ver que el módulo resistente que cumple mas cercano a lo necesario es el de la viga HEB de 100x100, pero si se compara los pesos en cambio se tiene que la viga IPE de


150x75 es mas liviana, razón por la que se escogería la segunda opción, ya que a menor peso se tiene menor costo. IPE 150X75 A= 18.16 cm2 d= 150 puld Peso/m= 14.3 kg/m Ixx= 679 cm4 Wxx= 90.60 cm3 rxx= 6.12 cm PRE-DIMENSIONAMIENTO DE VIGAS PRINCIPALES VIGAS CENTRALES EN SENTIDO X-X

Area cooperante para la viga a diseñar.

Viga para diseño

Figura 6.- Determinación del ancho colaborante de la placa deck para la viga principal central. Longitud libre Llibre=3.50 m Cargas para prediseño

2

2

2

48.644

00.200

48.444

mKgW

mKgL

mKgD

LD =

=

=

+


Calculo de las carga Uniformes

( )( )

mKgq

mKgladosmq

ladosLWq transvLD

40.44.1933

250.148.644

2

=

××=

××= +

Pasando de carga trapezoidal a carga uniforme distribuida, se tiene como se muestra a continuación:


Calculo del momento último

[ ]mKgM

M

lqM

u

u

u

.70.211412

50.354.207112

)(

2)(

2)(

=

×=

×=

−

−

−

[ ]mKgM

M

lqM

u

u

u

.35.105724

50.354.207124

)(

2)(

2)(

=

×=

×=

+

+

+

Esfuerzo Admisible ( )bF (se asume que la sección es no compacta)

2

2

6.1518

25316.0

6.0

cmKgF

cmKgF

FyF

b

b

b

=

×=

×=

Módulo resistente ( )W

3

2

25.139

6.15181

100.70.2114

.

cmWcm

KgmcmmKg

W

FMW

cIWcon

IcMF

b

b

=

×=

=

==


La sección que cumple de la manera más opcionada, es decir por que tiene un módulo resistente mayor y también por que muestra el menor peso por unidad de longitud, es la IPE 200X100, la misma que presenta las siguientes propiedades de la sección: IPE200X100 A= 27.57 cm2 d= 200 mm Peso/m= 21.7 kg/m Ixx= 1880 cm4 Wxx= 188 cm3

rxx= 8.25 cm Para las vigas perimetrales, como se tiene el área cooperante de la mitad de la viga central, se toma el módulo resistente también de la mitad, de tal manera que: Módulo resistente ( )W

3

2

63.62

6.15181

100.35.1057

.

cmWcm

KgmcmmKg

W

FMW

cIWcon

IcMF

b

b

=

×=

=

==

La sección que cumple de la manera más opcionada y que tiene un módulo resistente mayor es la IPE 150X75, la misma que presenta las siguientes propiedades de la sección: IPE 150X75 A= 18.16 cm2 d= 150 puld Peso/m= 14.3 kg/m Ixx= 679 cm4 Wxx= 90.60 cm3 rxx= 6.12 cm


VIGAS CENTRALES EN SENTIDO Y-Y

Area cooperante para la viga a diseñar.

Viga para diseño

Figura 6.- Determinación del ancho colaborante de la placa deck para la viga principal central sentido y-y. De manera análoga a la de las vigas del sentido x-x, se ha predimensionado éstas, quedando una sección necesaria de IPE 150X75, cuyos datos característicos de la sección son los siguientes: IPE 150X75 A= 18.16 cm2 d= 150 puld Peso/m= 14.3 kg/m Ixx= 679 cm4 Wxx= 90.60 cm3 rxx= 6.12 cm PRE-DIMENSIONAMIENTO DE COLUMNAS En edificaciones y edificios en general no es un parámetro de predimensionamiento de columnas solo la carga que ejerce el área cooperante sobre la misma, razón por la que hay que tomar en cuenta también la esbeltéz del elemento:


Área cooperante crítica: 3m x 3.50m = 10.50m2 # de pisos que cooperan: 2 pisos Cargas muertas actuantes: 1º piso: 444.48 kg/m2 2º piso: 294.48 kg/m2 Cargas vivas actuantes: 1º piso 200 kg/m2 2º piso 100 kg/m2

( ) ( )( )kgPu

mkgmkgmPu08.10909

/10048.294/20048.4445.10 222

=+++×=

indicada nteanteriormesección la tengamenos lopor quesección unausar recomienda Se48.34

/65.37990.13090*%15

%2008.10909

%20

2

2

∴=

=

+=

+=

cmAcmkgkgA

FykgA

FaPuA

Esbeltez máxima: λ=k*L/rmin λmax=200/# pisos λmax=200/2 pisos λmax=100 KAdop=3.00 rmin=3.00*260cm/100 rmin=7.80cm

( )4

22

2min

min

85.209780.7*48.34

*

cmIcmcmI

rAIAIr

=

=

=

=

Se adopta columna cuadrada de 160x160x8mm para todos los pisos.


DISEÑO DE ELEMENTOS La estructura se la ingresó en el programa ETABS v9.0, el mismo que es un programa diseñado solo para el cálculo de edificios, prestando mayores facilidades que SAP2000 en lo que respecta a edificios de acero. DETERMINACIÓN DEL CORTANTE BASAL Basándose en el código Ecuatoriano de la Construcción del año 2000, se puede estimar la carga sísmica estática tal como se detalla a continuación:

• Zona sísmica: Z4=0.4g • Importancia de la estruc.: I=1.00 • Determinación de coeficiente C o Tipo de suelo: S3

S=1.5 Cm=2.8

• Período de la estructura:

( )( )

sTT

hT n

31.020.5*09.0

*09.0

43

43

==

=

80.280.241.7

31.05.1*25.1

*25.1

5.1

=∴=>=

=

=

Adop

S

CCmCs

C

TSC

• Factores de modificación en planta: no se presenta ninguna variación debido a que todo es regular.

• Factores de modificación en elevación: no se presenta ninguna variación ya que el edificio es bien estructurado en elevación.

estructurabasal

estructurabasal

estructuraep

basal

WV

WV

WR

CIZV

*112.0

*10*0.1*0.1

80.2*0.1*40.0

***

**

=

=

=φφ


DISEÑO DE VIGAS A FLEXIÓN VIGA EJE “2”- (IPE200X100) IPE200X100 A= 27.57 cm2 d= 200 mm Peso/m= 21.7 kg/m Ixx= 1880 cm4 Wxx= 188 cm3

rxx= 8.25 cm Mmax

(-)=2.19 t-m Mmax

(+)=1.29 t-m L=3.50m (longitud total de la viga principal) L’=1.17m (longitud de separación de apoyos laterales) Lc=1.27 m (Longitud máxima para perfil compacto) Lu=2.19 m (longitud máxima para perfil semi compacto)

19.2127.117.1' =≤=≤= LumLcmL Por lo tanto:

2

2

/50.1670

/2531*66.0

*66.0

cmkgF

cmkgF

FF

b

b

yb

=

=

=

2

3

5

/89.11641881019.2

cmkgfcm

cmkgxf

SMf

b

b

xxb

=

−=

=

..00.170.050.167089.1164I

Aceptado) Diseño.(.50.167089.1164

b ko

koFf bb

⇒<==

⇒≤≤


DISEÑO DE COLUMNAS A FLEXO-COMPRESIÓN Pu=26.20 Kip Mxx=49.54 Kip-in Myy=46.72 Kip-in Según Bresler. B, en el libro de “Diseño de Estructuras de Acero”, se tiene una ecuación que para los perfiles W sirve como un diseño rápido, la misma que se muestra a continuación:

yyxxEQ MMPuP 6.02.0 ++= Reemplazando se tiene:

( ) ( )kgkipP

P

EQ

EQ

2915714.64

72.466.057.492.020.26

==

++=

De acuerdo a los datos obtenidos en el predimensionamiento de columnas, se tiene: A=48.06 cm2 Ixx=1858.20 cm4 rxx=6.22 cm

00.1=AG

33.1350

1880350

1880260

20.1858260

20.1858

44

44

=

+

+==

∑

∑

B

v

v

c

c

B

Gcmcm

cmcm

cmcm

cmcm

LILI

G


K=1.38

68.5722.6

260*38.1

*

=

=

=

λ

λ

λrLK L

2

3

2

3

2

/97.60610.12668.57*

81

10.12668.57*

83

35

2531*10.12668.57

21

32

*81*

83

35

*21

32

cmkgFa

Fa

CcCc

FyCc

Fa

=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−+

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−+

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

=λλ

λ

2

2

/67.60606.48

29157

cmkgfcmkgf

AP

f

a

a

EQa

=

=

=

..00.199.097.60667.606I

sección la de diseño el acepta se97.6062/67.606

a ko

cmkgFf aa

⇒≈==

⇒<≤


VIVIENDA DE HORMIGÓN ARMADO

Figura.- Esquema del edificio en elevación DETERMINACIÓN DEL CORTANTE BASAL Basándose en el código Ecuatoriano de la Construcción del año 2000, se puede estimar la carga sísmica estática tal como se detalla a continuación:

• Zona sísmica: Z4=0.4g • Importancia de la estruc.: I=1.00 • Determinación de coeficiente C o Tipo de suelo: S3

S=1.5 Cm=2.8

• Período de la estructura:

( )( )

sTT

hT n

27.020.5*08.0

*08.0

43

43

==

=


80.280.241.7

27.05.1*25.1

*25.1

5.1

=∴=>=

=

=

Adop

S

CCmCs

C

TSC

• Factores de modificación en planta: no se presenta ninguna variación debido a que todo es regular.

• Factores de modificación en elevación: no se presenta ninguna variación ya que el edificio es bien estructurado en elevación.

estructurabasal

estructurabasal

estructuraep

basal

WV

WV

WR

CIZV

*14.0

*8*0.1*0.180.2*0.1*40.0

***

**

=

=

=φφ

DETERMINACIÓN DE VOLÚMENES DE LAS ESTRUCTURAS ESTRUCTURA DE ACERO: • Acero A-36 4800 kg • Placa colaborante 0.67mm 126m2 • Malla electrosoldada 4mm@10cm 126m2 • Hormigón simple f’c=210 kg/cm2 9.45m3 ESTRUCTURA DE HORMIGÓN ARMADO: • Encofrado 29.70 m3 • Hormigón simple f’c=210 kg/cm2 29.70 m3 • Acero de refuerzo fy=4200 kg/cm2 2730 kg • Bloques 15x20x40cm 1008 u

vivienda de acero vs. hormigÓn

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