Memoria Estructuras Piscina

8/12/2019 Memoria Estructuras Piscina

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MEMORIA DE CLCULO

DISEO ESTRUCTURAL OPTIMIZADO POR EL METODO LRFD DE LAPISCINA SEMI - OLIMPICA DEL COLEGIO MILITAR FRANCISCO

BOLOGNESI.

Por: Ing. Cesar Espeza Llerena

1.0ANTECEDENTESSegn la arquitectura esquemtica elaborada para la Piscina Semi - Olimpica delColegio Militar francisco Bolognesi de Arequipa, se realizara la construccin completade dicha edificacin y en concordancia con el grado de seguridad y funcionalidad esrequerido elaborar el proyecto de ingeniera estructural que asegure la durabilidad y un

buen comportamiento estructural del mismo. Por ello la importancia de elaborar elclculo estructural correspondiente, el mismo que nos ayudar a la comprensin y buenentendimiento de la estabilidad, capacidad de resistencia y deformacin de la estructuratanto para cargas estticas como cargas dinmicas por sismo y por viento. Para lo cuales necesario desarrollar un proyecto que cumpla los estndares de ms alta calidad entodos sus procesos.

2.0CARGASLas cargas de diseo empleadas son causadas por: peso propio, carga viva, carga porefectos ssmicos y cargas de viento. Dichas cargas se detalla a continuacin:

Carga Muerta:Peso especfico del concreto armado = 2400 kg/m

Peso especfico de albailera confinada = 1900 kg/mEfectos trmicos variacin de temperatura = 20 C/diaPeso volumtrico del suelo = 1750 kg/mPeso de acabados = 100 kg/m

Carga Viva*Graderas y corredores = 500 Kg/mAzoteas = 150 Kg/mCarga en Cubierta = 30 Kg/mCarga de Montaje = 60 Kg/m

Notas: 1. Se han considerado diversas condiciones de carga viva.

2. Las cargas vivas son las mnimas segn NTE-030.Carga por Sismo:

Ver espectro de respuesta de aceleracin de diseo ms adelante.

Carga por Viento:Ver tem

3.0 CONCEPCION ESTRUCTURALLa estructura a construir ser considerada como una estructura esencial (categora A)

por lo que sus funciones no deben interrumpirse inmediatamente despus de que ocurra

un sismo.


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Actualmente el rea sobre el cual se va a proceder a construir la piscina semi-olimpicaes un terreno donde existe una piscina de cierta antigedad, la cual ser demilidaconjuntamente con todas sus instalaciones (ver planos de topografa del terreno). Demanera general el rea presenta una topografa casi plana. Por otro lado se realiz unestudio de suelos en donde se estim una capacidad portante de 1.71kg/cm2 a una

profundidad mnima de cimentacin de 1.60m, siendo considerado como un suelo debuena resistencia. Adems la piscina contar con cimentacin corrida para lasestructuras de cerramiento y para los servicios, cimentacin asilada (zapatas) y vigas decimentacin en la piscina propiamente dicha para evitar asentamientos diferenciales ygarantizar la estabilidad de las estructura, esta cimentacin ha sido concebida para quetenga un comportamiento monoltico.

F ig. 01.Planta de arquitectura de coliseo cerrado multiusos.

F ig. 02.Elevacin de fachada principal de coliseo cerrado multiusos.


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F ig. 03.Elevacin lateral derecha.

F ig. 04.Elevacin lateral izquierda.

F ig. 05.Modelo estructural de la cimentacin.


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3.1 COMPORTAMIENTO SISMICO DE LA ESTRUCTURALa categora de la edificacin es tipo A por ser esencial.Se ha realizado un anlisis dinmico y un anlisis esttico para la verificacin delcomportamiento ssmico de la estructura.

3.1.1 ANALISIS ESTATICOEn este estudio, se ha considerado la zona de vestidores y baos comotechado con losa aligerada, por lo que esta es considerada como undiafragma rgido. Este bloque, est sujetando en sus extremos a los muros decerramiento de la piscina, lo que nos permite delimitar el desplazamientolateral de estos muros adyacentes, as como delimitar el desplazamiento deeste bloque en la direccin ms corta.Sabiendo que el anlisis ssmico por el mtodo esttico es aplicablesolamente en estructuras regulares, podemos considerar esta zona de laedificacin como regular y aplicar el mtodo esttico.

es la zona ssmica del pas es el uso que daremos a nuestra edificacin (Centro educativo) es el tipo de suelo sobre el que cimentaremos nuestra estructura,siendo para el valor asumido el de un suelo intermedio,correspondindole un periodo de . es la altura de la edificacin Para edificios en los cuales los elementos sismoresistentes son fundamentalmente muros de corte.

Siendo el periodo de la estructura. es el factor de ductilidad que para nuestro caso est conformadopor muros de corte de albailera en ambas direcciones. es peso de la estructura en toneladas. rea de la estructuras a analizar. Longitud de muros de albailera

( ) Fuerza ssmica en la base.En el caso de los muros de cerramiento de la piscina, tenemos que todosellos estn arriostrados en sus cuatro lados, por lo que en la cuales uso de la estructura, en la que es el factor de zona y coeficiente ssmico ( ), es el coeficiente demomentos que para nuestro caso es 0.0479 y es la dimensin critica enmetros de nuestro muro a analizar, de aqu obtenemos un espesor de muro de0.12m que para nuestro caso es menos que 0.14 que aparecen en planos deestructuras. Ver figura.


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F ig. 06.Fachada posterior con muros de albailera e=0.15m arriostrados en sus cuatro lados.

3.1.2 ANALISIS DINAMICOEl anlisis estructural de la piscina se ha realizado usando el programa decomputo denominado SAP2000 v14.2.0, que est basado en el mtodo deelementos finitos, un mtodo ampliamente reconocido a nivel mundial, ycon base en el clculo estructural desarrollado en este programa se haelaborado el clculo de esfuerzos en los elementos estructurales. Se hanempleado prticos y muros de corte de concreto reforzado principalmente.Se presenta el espectro de diseo.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Sa T Tp( )

T

Sa T Tp( ) Z U S C T T p( ) g

R

C T T p( ) 2.5pero:C T T p( ) 2.5 Tp

T

Periodo de la estructura segun los modos de vibrarT

Periodo predomina nte del suelo semiduroTp 0.6

Factor de ampli fi cacion de suel o de deposito, caso suelo semiduroS 1.2

Factor de reduccin para ambas di recciones albai leria y porticos.R 6

Factor de uso de edifi cacin es categoria "A"..U 1.5

Factor de Zona geograf ica (del riesgo sismico)Z 0.4

Espectro de Respuesta de Acele racin de Diseo (Sa) NTE 030-


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4.0DISEO ESTRUCTURALLa edificacin est conformada por graderas, adems de losas aligerada para ambientes

pequeos de un solo nivel. Su sistema estructural es de prticos de concreto armado ymuros de corte de albailera, siendo su cimentacin de losa reforzada con cimientos

corridos unidos. En el anlisis estructural se ha considerado seis grados de libertad paracada nudo. En el anlisis estructural se ha considerado la losa aligerada como undiafragma rgido que uniformiza en elementos verticales los esfuerzos para luegorigidizar de acuerdo a sus dimensiones y posiciones de estos elementos.La resistencia requerida (U), para cargas muertas (CM), vivas y (CV) y de sismo(CS) han sido consideradas como.

U = 1.5 CM + 1.8 CVU = 1.25 (CM + CV CS)U = 0.9 CM 1.25 CS

Los elementos no estructurales sern construidos posteriormente a los elementosestructurales, por lo que debern dejarse los arranques de acero adecuados y laseparacin necesaria para que no sufran daos durante la ocurrencia de un sismo.

5.0RESUMEN DISEO DE COBERTURA METLICALa estructura de cobertura de la piscina del colegio Militar francisco Bolognesi, estconstituida por arcos cncavos conformados por estructuras metlicas. Dichasestructuras tienen una configuracin especial con arcos corrugados de 23.90 m de luz.El anlisis y diseo se realiz con la ayuda de un software denominado SAP2000. Paralograr el peso mnimo se opt por plantear diversos tipos de estructuras en arco condiferentes dimensiones de los elementos estructurales tanto en longitud como en suseccin transversal. Fue necesario el uso intensivo de programas de cmputo para elanlisis estructural en este caso se modelo en forma completa y tridimensional a toda laarmadura y se usaron en los elementos secciones tubulares circulares de hasta 2 dedimetro. Para obtener una estructuracin adecuada se utiliz inicialmente el mtodo dediseo plstico y posteriormente se opt por utilizar el mtodo LRFD-93 del AISC elcual arroja secciones de los miembros estructurales de menor dimensin encomparacin con el mtodo elstico. Finalmente se logr optimizar el diseo estructuralen base a los resultados de anlisis y diseos preliminares se procedi a mejorar laszonas ms crticas y acortar las secciones muy robustas inclusive se plante una

modificacin del peralte en la clave de los arcos para su optimizacin final. Existenelementos que solo trabajan en traccin los cuales solo cumplen una funcin de arriostrecontra vientos.

6.0DISEO ESTRUCTURAL OPTIMIZADO6.1 Cargas.-

Carga muerta y viva.-Para lograr un comportamiento de armadura espacial toda la carga muerta se concentren los nudos por ello todas las viguetas que transmiten carga fueron espaciadas en forma

constante y se apoyan exactamente en los nudos.


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Por otro lado la carga viva tambin trabaja en forma semejante a la carga muerta sinembargo, solo tiene carga viva por montaje y esta es mnima.

Velocidad del viento:

( )En la cual: Velocidad de diseo del viento sobre la estructura hasta 10m de altura. Velocidad de diseo del viento sobre la estructura a una altura h>10m. Altura donde se desea conocer la velocidad del viento en m (h>10m)Por ejemplo segn los mapas elicos en la ciudad de Arequipa la velocidad de diseodel viento es de: Carga de viento.-Por causa del poco peso que tiene la estructura de cobertura del coliseo y puesto que setiene una superficie geomtrica grande comparada con su peso propio, la estructura esligera, en consecuencia es muy crtico el efecto de viento que las cargas inducidas porsismo.

La fuerza inducida por el viento es igual a:

En la cual: factor de forma de la estructura. densidad del aire. Clculo de los factores de forma de la estructura segn la direccin del viento en el arcosecundario. El factor vara en funcin de la zona de la cubierta y su forma:Para la direccin Y en que la forma es de arco con un ngulo de inclinacin que noexcede los 45. en zona de barlovento en zona de sotaventoPara la direccin X en la cual se tiene superficies inclinadas entre 15 y 60: en zona de barlovento en zona de sotaventoTenemos que: flecha de la cubierta, y luz de la cubierta.

Y segn el RNC:

para barlovento, y

para sotavento.


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Dada la importancia de la estructura y al uso segn nuestras normas de construccin enacero, se tuvo que considerar las cargas de peso propio, viento, y carga viva (pormontaje). Para el clculo de los esfuerzos en los elementos estructurales y por su formaespacial se ha optado por usar un programa de computadora para realizar el anlisis dela estructura, por ello, se pudo proponer diversas formas de la armadura espacial hasta

optimizarla en su proceso de diseo. Lo cual permiti verificar el diseo estructural enacero. El modelaje de la estructura tambin fue espacial, por ello, se ha considerado unanlisis muy riguroso de la estructura y mediante este modelo estructural realista se halogrado proporcionarle una mayor seguridad y una configuracin estructural adecuada.El clculo de los esfuerzos en los elementos estructurales que conforman cada arco seha desarrollado considerando 3 grados de libertad de desplazamientos lineales por nudo,(x, y, z) coordenadas en el espacio tridimensional y se ha aplicado el mtodo de lasrigideces por el mtodo de elementos finitos, para lograrlo se ha empleado un programade computadora denominado SAP2000.

Condiciones de carga y combinaciones de esfuerzos.-

Puesto que la estructura estar sometida a diversas cargas durante su vida til se hanconsiderado las siguientes condiciones de carga:

D = Condicin de Carga MuertaLr = Condicin de Carga Viva de montajeW = Condicin de Carga de Viento o Sismo.

Se considera las siguientes combinaciones de carga segn los factores del mtodo a larotura del cdigo A.I.S.C. denominado mtodo L.R.F.D.:

Combo1 : U = 1.4DCombo2 : U = 1.2D + 1.6LrCombo3 : U = 1.2D + 0.5Lr + 1.3WCombo4 : U = 1.2D + 0.5Lr - 1.3W

7.0DISEO ESTRUCTURAL DE LA COBERTURA METLICALuego de haber determinado los esfuerzos en los elementos estructurales se proceden aldiseo, encontrndose casos en que algunos de estos elementos eran inadecuados enresistencia y se tuvo que cambiar por un tubo de mayor dimensin y nuevamente serealiz el anlisis estructural hasta que se satisfagan los requerimientos de resistencia y

rigidez. El mtodo de diseo empleado es el publicado por el cdigo americano AISC(AMERICAN INSTITUTE STEEL CONSTRUCTION) denominado LRFD (LOADRESISTANT FACTOR DESIGN) o mtodo a la rotura para diseo en acero. Puesto quela estructura trabaja como una armadura espacial, los esfuerzos principales solamenteson de origen normal axial.El mtodo de diseo estructural empleado es la del cdigo del LRFD Mtodo de diseo

por factores de carga o mtodo a la rotura. Adems los elementos que conforman lasarmaduras se han planteado en forma adecuada para que trabajen principalmente en lo

posible a esfuerzos de traccin consecuentemente para evitar que gobierne el diseo porestabilidad o pandeo, es decir aseguramos que la resistencia de traccin del elementosea la que gobierne el diseo. Y los elementos que trabajan a esfuerzos de compresinson diseados necesariamente para que resistan el pandeo local, y por ello susdimensiones son mayores a los elementos anteriormente mencionados.


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Fuerzas crticas resistentes por pandeo para Miembros sometidos a compresin:

Siendo , el esfuerzo crtico por pandeo inelstico es: y, el esfuerzo crtico por pandeo elstico es:

en la cual:

( ) 36Ksi longitud del elemento mdulo de la elasticidad

F ig. 07.Elevacin lateral de la cobertura metlica


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F ig. 08.Elevacin frontal de la estructura metlica

F ig. 09.Isomtrico de la estructura

8.0RESULTADOSDespus de haber realizado el anlisis estructural de varios modelos se han comparadoestos con el fin de optimizar el diseo al mximo encontrndose que los esfuerzosaxiales en las barras ubicadas en el centro de luz de la armadura dependen del peralte, amenor peralte los esfuerzos axiales son mayores y a mayor peralte los esfuerzosdisminuyen. En la Fig. 09 se muestran las cargas de viento utilizadas en el diseo soloen el cordn superior.


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F ig. 10.Cargas de viento en cobertura en la direccin X, tanto en barlovento como en sotavento.

Vh e s la ve loc ida d de di se o en al tura h, en km/h

V 100 es la velocidad de diseo hasta 10m de altura en km/h

h 10 e s la a ltura en m sobre el t erre no

Vh 100 km/h

CARGA EXTERIOR DEL VIENTO DIRECCIN X CARGA EXTERIOR DEL VIENTO DIRECCIN Y

BARLOVENTO BARLOVENTO

Ph e s la pre sin o succin de l viento a una al tura h e n kg/m Ph e s la pre sin o succ in de l viento a una al tur

C 0.8 es un factor de forma adimensional C 0.8 es un factor de forma adimensional

-0.8 -1

Vh 1 00 e s l a ve loci da d de di seo e n a ltura h, en km/h Vh 1 00 e s l a ve loci da d de di seo e n a ltura h, en km/

Ph 40 kg/m Ph 40 kg/m

SOTAVENTO SOTAVENTO

Ph e s la pre sin o succin de l viento a una al tura h e n kg/m Ph e s la pre sin o succ in de l viento a una al tur

C -0.6 es un factor de forma adimensional C -1 es un factor de forma adimensional

Vh 1 00 e s l a ve loci da d de di seo e n a ltura h, en km/h Vh 1 00 e s l a ve loci da d de di seo e n a ltura h, en km/Ph -30 kg/m Ph -25 kg/m

F ig. 11.Cargas de viento en la direccin Y sobre la cobertura en general


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F ig. 12.Verificacin de elementos estructurales con la norma AISC-LRFD93

Se verifica que los elementos estructurales en su mayora estn siendo sometidos amenos del 50% de su capacidad, existiendo tambin elementos sometidos casi al 100%de su capacidad.

9.0VERIFICACIN DE UN MIEMBRO SOMETIDO A COMPRESINTubo = 2

Dimetro Exterior: 60.3 mm.Espesor: 3.00 mm.rea: 453.96 mm.2 0.7036 pulg.2Momentos de inercia: X: 189930.68 mm.4 0.4563 pulg.4

Y: 189930.68 mm.4 0.4563 pulg.4Radio de giro: 20.4545 mm. 0.8053 pulg.

P cr Fm ax

KipPcr 33. 587

Pcr c Fcr Ag

KipFcr 23. 243

c 1.022

Fcr 0.658c

2

Fy c 1.5if

0.658

c2

Fy c 1.5if

c K L

r

Fy

Es

pulg

2

Ag 1.7KsiFy 36

pulgL 86.33pulg4r 0.947

c 0.85K 1KsiEs 29000

33.587 Kip >= 32.20 Kip OK!


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