RESERVADOS DERECHOS - Universidad Rafael...
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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA. UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA. FACULTAD DE INGENIERIA. ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL. DETERMINACION DE LOS CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE LOSAS Y MUROS MACIZOS DE CONCRETO ARMADO PARA BLINDAJE BIOLOGICO. TRABAJO ESPECIAL DE GRADO. REALIZADO POR LOS BACHILLERES: GARCIA MORENO, Osmerly. C. I.: 17.931.033. VARGAS COLINA, Sabrina. C. I.: 15.561.133. TUTOR ACADEMICO: Prof. Jesús Medina. MARACAIBO, 2009. DERECHOS RESERVADOS
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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA. UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA.
FACULTAD DE INGENIERIA. ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL.
DETERMINACION DE LOS CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE LOSAS Y MUROS MACIZOS DE CONCRETO ARMADO PARA BLINDAJE BIOLOGICO.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO. REALIZADO POR LOS BACHILLERES:
GARCIA MORENO, Osmerly. C. I.: 17.931.033.
VARGAS COLINA, Sabrina. C. I.: 15.561.133.
TUTOR ACADEMICO: Prof. Jesús Medina.
MARACAIBO, 2009.
DERECHOS RESERVADOS
DETERMINACION DE LOS CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE LOSAS Y MUROS
MACIZOS DE CONCRETO ARMADO PARA BLINDAJE BIOLOGICO.
GARCIA MORENO, Osmerly. C. I.: 17.931.033.
Avenida 21 entre calles 69 y 70. Teléfono: 0424 – 682 44 44
VARGAS COLINA, Sabrina. C. I.: 15.561.133 Av. Milagro Norte
Teléfono: 0412 – 165 56 82 [email protected]
__________________________________________ Tutor Académico.
Prof. Jesús Medina.
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Secretaria Docente de la Facultad de Ingeniería.
Escuela de Ingeniería Civil.
Universidad Rafael Urdaneta.
Evaluación.
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Dedicatoria
Osmerly García.
A las personas que me enseñan que nada es suficiente,
Que ningún lugar está lejos,
A volar alto y también aterrizar;
A los que me hacen sentir como en casa,
Y a los que amo y extraño ver todos los días, mi familia.
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Dedicatoria
Sabrina Vargas.
A mi abuelo que me enseño a ser paciente y a sonreír ante la adversidad.
A mis padres, por recordarme cuan alto puedo llegar sin importar los tropiezos.
A mis amigos de la infancia, por acompañarme en mis aventuras por el mundo.
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Agradecimientos
A nuestros padres, por su respaldo e incentivarnos al trabajo y el estudio.
Al Ing. Jesús Medina, por crear interés y entusiasmo en nosotras al compartir
sus conocimientos.
A los Ingenieros Sebastián Delgado y Adán Calderón, por su gran ayuda durante
la realización de este trabajo.
A la Dra. Marínela Colina, por su orientación en la elaboración de este proyecto.
Al Arq. Ailed Mata, por su amistad incondicional.
A nuestros compañeros de la universidad, por compartir sus exámenes, trabajos
y calculadoras haciendo nuestras horas de estudio entretenidas y divertidas.
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GARCIA MORENO, Osmerly; VARGAS COLINA, Sabrina. Determinación de los criterios para el diseño de muros y losas macizas de concreto armado para blindaje biológico. Este proyecto esta aplicado en la rama de la Ingeniería Civil y el ámbito que abarca principalmente es el diseño estructural, de miembros tales como, losas y muros de concreto armado para el blindaje biológico de Rayos X y su finalidad es servir de guía para futuros diseños. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Civil. Maracaibo, estado Zulia, Venezuela, año 2009.
Resumen
El objetivo principal de esta investigación fue determinar los criterios para el diseño de losas y muros macizos de concreto armado para blindaje biológico. Se establecieron los factores que inciden en este tipo de diseño, se procedió a evaluar y finalmente se diseño una losa y un muro macizo de concreto armado con la ayuda de una herramienta informática. Este trabajo establece una relación entre la física, la medicina y la ingeniería, donde la fase de diseño combina estas tres categorías de la ciencia para el cálculo de blindajes. La fase de diseño es la clave para un buen blindaje, pero antes de su construcción ha de ser conveniente revisarlo para verificar que se cumpla con los requisitos exigidos. Por lo antes expuesto, se consideró apropiada la elaboración del siguiente proyecto, para que sirva de guía en un futuro en la ejecución del diseño de losas y muros en concreto armado destinados a blindar fuentes radiológicas. La atenuación que sufre la radiación dependerá fundamentalmente de los siguientes factores: tipo de radiación, energía e intensidad, las dimensiones y forma de la fuente, por lo que al momento de diseñar, estos factores son determinantes tanto en el material, como en las dimensiones y espesores del blindaje. Deben tomarse en cuenta las normativas de seguridad radiológica que rigen en el país, así como las normativas para el diseño de muros y losas macizas.
Palabras claves: Losas Macizas, Muros Macizos, Concreto Armado, Blindaje Biológico, Radiación.
[email protected], [email protected]
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DETERMINATION OF THE CRITERIA FOR THE DESIGN OF SLABS AND SOLID WALLS OF REINFORCED CONCRETE FOR BIOLOGICAL SHIELDING.
Abstract
The main aim for this research was to determine the criteria for the design of slabs and solid walls of reinforced concrete for biological shielding. The factors that affect this type of design were established, evaluated and finally the design of solid walls and slabs of reinforced concrete with the help of a computer tool was made. This work establishes a relationship between physics, medicine and engineering where the design phase combines these 3 categories of science for the calculation of shielding. According to this, the development of this project was appropriated to serve as a guide to future performance of the design of slabs and walls in reinforced concrete to shield radiation sources. The attenuation suffered by the radiation depends primarily on the following factors: type of radiation, energy, intensity and the size and shape of the source. On the design process, these factors are crucial both in the material as in the size and thickness of the shield. Be taken into account the government radiation safety regulations in the country, as well as regulations for the design of solid walls and slabs.
Keywords: Solid slabs, solid walls, reinforced concrete, biological shielding, radiation.
[email protected], [email protected]
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Índice
Introducción CAPITULO I 1.1. Planteamiento del Problema………………………………………...………..……… 21
1.2. Objetivos:
1.2.1. Objetivo General…………………………………………………………….… 22
1.2.2. Objetivos Específicos………………………………………………………..… 22
1.3. Justificación…………………………………………………………………………….. 23
1.4. Delimitación………………………..…………………………………………………… 24
CAPITULO II MARCO TEORICO 2.1. Antecedentes……………………………………………………………………………. 24
2.2. Fundamentos Teóricos…………………………………………………………………. 27
2.2.1. Radiación………………………………………………………………………… 27
2.2.1.1. Radiaciones no ionizantes………………………...….…….……….. 27
2.2.1.2. Radiaciones ionizantes……………………………….………………. 27
2.2.1.3. Aplicación de la radiación en la medicina………………….………… 28
2.2.2. Acelerador de partículas……………………………………………………….. 29
2.2.2.1. Aceleradores Lineales…………………………………………...……. 30
2.2.3. Protección radiológica………………………………………………………….. 31
2.2.3.1. Blindaje Biológico……………………………...………………………. 31
2.2.3.2. Consideraciones de diseño para el blindaje biológico…………….. 33
2.2.4. Concreto.
2.2.4.1. Definición……………………………………………………………….. 34
2.2.4.2. Materiales………………………………………………………………. 34
2.2.4.3. Características del concreto………………………………………….. 37
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2.2.4.4. Diseño de mezclas…………………………………………………….. 37
2.2.4.5. Tipos de concreto……………………………………………………… 38
2.2.4.6. Acero de refuerzo para el concreto………………………………….. 40
2.2.4.7. La adherencia entre el concreto y el acero………………………….. 41
2.2.5. Losas…………………………………………………………………………….. 42
2.2.5.1. Tipos…………………………………………………………………….. 43
2.2.5.2. Placa de Fundación…………………………………………………… 45
2.2.6. Muros Portantes………………………………………………………............... 48
2.2.7. Muros de Contención………..……………………………………………….... 49
2.2.7.1. Empujes del terreno…………………………………………………… 52
2.2.7.2. Empuje Neutro o de Reposo……………………………………...…. 54
2.2.7.3. Empuje por Sobrecarga………………...……………………….……. 56
2.2.7.4. Incremento dinámico de presiones por el efecto sísmico…….…… 57
2.2.8. Diseño de estructuras…………………………………………………………. 58
2.2.8.1. Acciones a las que está sometida la estructura…………….……… 59
2.2.9. Armaduras……………………………………….…………………..…………. 63
2.2.9.1. Colocación de las armaduras………………………………………... 63
2.2.9.2. Distancia entre barras…………………………………………………. 64
2.2.9.3. Recubrimientos mínimos……………………………………………… 65
2.2.9.4. Doblado de las armaduras…………………………………………… 69
2.2.9.5. Anclaje de las armaduras……………………………………………... 69
2.2.9.6. Empalmes de las armaduras…………………………………………. 69
2.2.9.7. Organización de las armaduras en elementos de concreto Armado…
……………………………………………………………………………………… 70
2.2.10. Requisitos Básicos…… ……………………………………………………… 71
2.3. Operacionalización de variables.
2.3.1. Definición Nominal………..………………………….…..……………………... 71
2.3.2. Definición Conceptual………………………..……..………………………...... 71
2.3.3. Definición Operacional………………………………………………………… 72
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CAPITULO III MARCO METODOLOGICO 3.1. Tipo de Investigación…………………………………………………………………… 73
3.2. Diseño de Investigación………………………………………………………………... 74
3.3. Población y Muestra.
3.3.1. Población………………………………………………………………................ 74
3.3.2. Muestra……………………………………………………………………………. 74
3.4. Técnicas de recolección de datos…………………………………………………….. 75
3.5. Fases de la Investigación.
3.5.1. Fase I. Objetivo n° 1: Establecer los factores que inciden en el diseño de
muros y losas macizas de concreto armado para blindaje biológico (Rayos
X)……………….…………………….………………………………………………….. 77
3.5.2. Fase II. Objetivo n° 2: Evaluar los valores que inciden en el diseño de
muros y losas macizas de concreto armado para blindaje biológico (Rayos
X)…….…..……………………………………………………………………………… 78
3.5.3. Fase III. Objetivo n° 3: Diseñar una sala con muros y losas macizas de
concreto armado para blindaje biológico (Rayos X), mediante el uso de una
herramienta informática………….……………………………………………….…… 78
3.6. Procedimiento Metodológico.
3.6.1. Establecer los factores que inciden en el diseño de losas y muros macizos
de concreto armado para blindaje biológico (Rayos X)…………………………… 78
3.6.1.1. Tipo de Radiación……………….……………………………….…… 79
3.6.1.2. Energía y flujo…………….…………………………………………… 80
3.6.1.3. Dimensiones y forma de la fuente………………………………….. 82
3.6.1.4. Normas de Seguridad Radiológica……………………..…………… 85
3.6.2. Evaluar los factores que inciden en el diseño de losas y muros macizos de
concreto armado para blindaje biológico (Rayos X)……………..…. 87
3.6.2.1. Tipo de radiación, energía e intensidad y dimensiones y forma
de la fuente………………………………………………………………………...88
3.6.2.2. Dimensiones y espesores……………………………………………. 88
3.6.2.3. Especificaciones del concreto……………………………………….. 90
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3.6.3. Diseñar una losa y un muro macizo de concreto armado para blindaje
biológico mediante el uso de una herramienta informática……………….…. …… 91
3.6.3.1. Fundación………………………………………………………………. 95
3.6.3.2. Cargas actuantes……………………………………………………… 101
3.6.3.4 Combinaciones de cargas…………………………………………….. 109
3.6.3.5. Diseño en concreto armado………………………………………….. 112
CAPITULO IV
ANALISIS E INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS. CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
4.1. Análisis e interpretación de los resultados………………………………………….. 115
4.1.1. Losa Fundación de 0.60 m……………………………………………... …….116
4.1.2. Losa de techo.
4.1.2.1. Losa maciza de espesor 2.40 m y 1.40m……………………………118
4.1.3. Muros de espesor 2.40m y 1.40m…………………………………………… 119
4.1.3.1. Muro 1………………………………………………………………….. 120
4.1.3.2. Muro 2…………………………………………………………............. 121
4.1.3.3. Muro 3………………………………………………………………….. 122
4.1.3.4. Muro 4………………………………………………………………….. 123
4.1.3.5. Muros de espesor 1.20m y 0.50m…………………………………... 125
4.1.4. Esfuerzo del suelo……………..………………………………………………. 126
4.1.5. Diseño del Acero Principal. ………………………………………….………. 127
4.1.5.1. Losas y muros macizos……………………………............................128
4.1.5.2. Losa de Fundación…………………………………………………….128
4.1.6. Acero Secundario…………………………………………………....................130
4.1.7. Nudos y encuentros de las armaduras…………………………………. 131
4.1.8. Empalme de las armaduras…………………………………………………... 132
CONCLUSIONES. RECOMENDACIONES. ANEXOS
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Índice de Figuras
Figura N° Pág.
1. Blindaje contra radiaciones ionizantes………………………..…………………... 33
2. Losa apoyada en dos lados paralelos…..………………………........................... 43
3. Losa apoyada en todo su contorno……………………………………................... 44
4. Distribución de presiones bajo placa de fundación……………………………... 46
5. Placa maciza de fundación……………………………………………………….... 47
6. Tipos de muros de contención……….…………………………………….............. 50
7. Presiones de tierras.………………………………………………………………..... 52
8. Empuje Neutro……………………………………….……………………….……… 54
9. Empuje de Sobrecarga……………………………….……………………………... 56
10. Empuje neutro + Incremento dinámico del empuje neutro……………….. ...… 58
11. Separación de varillas y recubrimiento en fundaciones………………............... 66
12. Separación de varillas recubrimiento en placas y viguetas…………………… 67
13. Recubrimiento y separación. Muros……………………………………………..… 68
14. Nudos y encuentro en muros………………………………………………………. 71
15. Tipos de radiación………………………………………………………………….… 79
16. Sala de tratamiento típica en planta……………………………………………….. 80
17. Sección A-A…………………………………………………………………………… 80
18. Sección B-B…………………………………………………………………….......... 81
19. Vista en planta del Acelerador Lineal Precise con mesa de tratamientos......... 82
20. Vista en alzado del Acelerador Lineal Precise con mesa de tratamientos…….. 83
21. Dimensiones del acelerador, expresadas en mm………………………………... 85
22. Dimensiones expresadas en mm………………………………………………….. 85
23. Especificaciones mínimas que debe cumplir el concreto…………………......... 91
24. Ventana de dialogo NEW, STAAD.Pro V8i…………………………………… 92
25. Ventana de dialogo, STAAD.ProV8i…………………………………………... 93
26. Geometry - Plates, STAAD.ProV8i………………………………………………… 95
27. General - Property, STAAD.ProV8i………………………………………………... 95
28. Predimensionado de Muro de Contención………………………………….. …... 98
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29. Supports, Foundation……………………………………………………………… 100
30. Selfweight Load………………………………………………………………… …..102
31. Carga variable losa de techo en azul, 250 kg/m2………………………………. 102
32. Carga variable losa de piso en azul, 250 kg/m2…………………………….. …. 103
33. Carga del Acelerador Lineal…………………………………………………… …. 104
34. Aplicación de la carga del Acelerador lineal…………………………………. …. 104
35. Aplicación del empuje de tierras………………………………………………….. 107
36. Aplicación del empuje dinámico………………………………………………….. 109
37. Definición de las combinaciones de cargas…………………………………….. 111
38. Combinaciones asumidas por el STAAD Pro V8i…………………………… …. 112
39. Aplicación del tipo de material para la estructura…………………………........ 113
40. Especificaciones del concreto…………………………………………………….. 114
41. LOSA FUNDACION, Momento en X…………………………………………….. 117
42. LOSA FUNDACION, Momento en Y…………………………………………. …. 117
43. LOSA DE TECHO, Momento en X. ……………………………………………… 118
44. LOSA DE TECHO, Momento en Y……………………………………………….. 119
45. Muros de 1.40m y de 2.40 m……………………………………………………… 119
46. MURO 1, Momento en X…………………………………………………………. 120
47. MURO 1, Momento en Y………………………………………………………. 120
48. MURO 2, Momento en X………………………………………………………… 121
49. MURO 2, Momento en Y………………………………………………………… 122
50. MURO 3, Momento en X………………………………………………….………. 122
51. MURO 3, Momento en Y………………………………………………………….. 123
52. MURO 4, Momento en X………………………………………………………….. 124
53. MURO 4, Momento en Y………………………………………………………….. 124
54. MURO de 1.20m y 0.50 m, Momento en X……………………………………… 125
55. MURO de 1.20m y 0.50 m, Momento en Y……………………………………… 126
56. Esfuerzo del suelo…………………………………………………………………. 127
57. Armadura principal y secundaria en planta……………………………………… 128
58. Empalmes y anclajes de las armaduras en planta……………………………... 129
59. Dispocisión de las armaduras y anclajes en el corte…………………………... 130
60. Empalmes de las armaduras en el corte…………………………………………. 131
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Índice de Tablas
Tabla N° Pág.
1. Resistencias relativas aproximadas del concreto según el tipo de
cemento………………………………………………………………………………. 36
2. Propiedades de los aceros…………………………………………………………. 41
3. Propiedades de las barras de refuerzo………………..………………………….. 41
4. Ángulo de fricción interna y ángulo de fracción entre suelo y muro................. 53
5. Valores de Ko para algunos tipos de suelos………….……..……...................... 55
6. Módulo de Poisson………………..………………………………………............... 55
7. Pesos unitarios probables de materiales de construcción……………………… 60
8. Mínimas cargas distribuidas variables sobre entre pisos……………………….. 61
9. Recubrimientos libres mínimos…………………………………………………….. 65
10. Cuadro de Operacionalización de variables……………………………………… 72
11. Dimensiones de los espesores según la cantidad de energía
emitida………………………………………………………………………………... 81
12. Relación de los elementos indicando dimensiones y pesos de los mismos…... 84
13. Dimensiones consideradas para la sala de radioterapia………………………... 89
14. Peso especifico γ, y capacidad portante del suelo ………………………... 96
15. Ángulo de fricción interna ϕ y φ de fricción entresuelo y muros ó pilotes…….. 96
16. Coeficiente de Balasto según tipo de suelo………………………………………. 97
17. Acero requerido para la losa de fundación……………………………………… 130
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Índice de Ecuaciones
Ecuaciones Pág.
1. Sumatoria de cargas luz mayor y menor………………………………… 44
2. Condición de borde para los 4 lados iguales…………………………… 44
3. Cargas según la luz menor………………………………………………... 44
4. Cargas según la luz mayor…………………………………………........... 44
5. Empuje neutro o de reposo………………………………………………... 54
6. Coeficiente del empuje de reposo……………………………………........ 54
7. Coeficiente del empuje de reposo en función de v………...................... 55
8. Altura de Sobrecarga……………………………………………………….. 56
9. Altura para el empuje por sobrecarga…………………………………….. 56
10. Empuje por sobrecarga…………………………………………………….. 56
11. Ordenada superior en el tope del muro…………………………………... 57
12. Ordenada inferior en el tope del muro……………………………………. 57
13. Incremento dinámico del empuje neutro………………………………… 58
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Introducción
La radiactividad es la capacidad que manifiestan ciertos elementos químicos de
emitir partículas o radiaciones de forma espontanea o artificial. Cuando el núcleo de
estos átomos se fusiona, se libera energía en forma de radiación alfa, beta y gamma.
La energía depositada por la radiación en la materia viva produce cambios en las
estructuras celulares, dando lugar a efectos que pueden ser perjudiciales. El daño
biológico por radiación puede manifestarse directamente en el individuo que recibe la
radiación o en su progenie, pero el ADN es el blanco biológico más crítico, produciendo
cambios en el número y estructura de los cromosomas.
En la actualidad el uso de los equipos generadores de radiaciones en diversas
áreas crece exponencialmente, una de ellas es la medicina como técnica de
diagnostico, terapia, entre otras. Sin embargo, el uso de las fuentes generadoras de
radiación está sujeto a regulaciones, normas de seguridad radiológica y por ende,
exigiendo métodos de protección con el fin de garantizar el manejo de estos equipos y
la exposición del personal para pacientes y público en general ante la radiación, sean
dosis mínimas.
Entre los métodos de protección, el blindaje es el más importante. La radiación, al
atravesar la materia pierde intensidad, por lo cual el diseño y la construcción de una
barrera con un material que sea capaz de atenuar la radiación, es determinante en la
realización de prácticas que involucran el manejo de material radiactivo de forma
segura.
Debido a la alta demanda del uso de equipos generadores de radiaciones, el
diseño y construcción de blindajes también lo es. La información requerida para el
diseño de estas estructuras es escasa y las técnicas para la ejecución de la obra son
pocos conocidas, razones principales de la ejecución de este proyecto de investigación.
DERECHOS RESERVADOS
El objetivo principal que se desarrolló en el presente trabajo fue, determinar los
criterios para el diseño de losas y muros macizos de concreto armado para blindaje
biológico (Rayos X).
En el capítulo I, se desarrollo el planteamiento del problema, seguido por la
justificación de la realización de este estudio. Se señalan también, los objetivos
específicos, que consisten en establecer y evaluar los factores que involucran el diseño
de elementos estructurales tales como, los muros y losas macizas de concreto armado
para el blindaje biológico de una fuente generadora de rayos X. Finalizando este
capítulo se señalo la delimitación del proyecto, el tiempo en el que se realizo y lugar.
El capítulo II consta del marco teórico. Los antecedentes, trabajos de investigación
y publicaciones relacionadas con este proyecto. También la diversa bibliografía usada
señalando los fundamentos teóricos en los que se baso el estudio.
El capítulo III se enfoca en el marco metodológico. El tipo de investigación es
descriptiva y el diseño de investigación es no experimental. Seguido se especifica la
población estudiada, los muros y las losas macizas de concreto armado para blindaje
biológico. La muestra que se estudio en el proyecto fue seleccionada de forma
intencional, el Acelerador lineal Digital ELEKTA Precise, generador de rayos X.
También se señalaron las técnicas de recolección de datos usada, observación directa,
indirecta y documental.
En este capítulo se señalan las fases de la investigación, describiendo los pasos
que se ejecutaron para la realización de los objetivos planteados.
El procedimiento metodológico consta del desarrollo de cada uno de los objetivos,
sirviendo de guía las fases de la investigación señaladas.
Por último el capítulo IV, en donde se recolecto toda la información obtenida del
desarrollo de cada uno de los objetivos planteados. Este capítulo señala los resultados
de la investigación, las conclusiones y recomendaciones.
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CAPITULO I
1.1. Planteamiento del problema.
En consecuencia de la Segunda Guerra Mundial, se originó la construcción de
estructuras blindadas mejor conocidas como Bunkers, para protegerse de los
bombardeos tanto de la aviación como de la artillería, centrales nucleares y también
para salas de control de actividades peligrosas, por ejemplo, pruebas de motores
para cohetes, explosivos experimentales o como almacenaje para elementos
radioactivos, explosivos u otros elementos peligrosos. Estas fueron construidas
principalmente por naciones como Alemania y su famosa Línea Maginot, Albania,
Países Bajos y otros.
En la actualidad, se construyen bunkers en Israel para casos de ataques
biológicos y misilisticos. Las posibilidades de que España sufra un ataque bélico o
un accidente nuclear de nefastas consecuencias, son prácticamente mínimas. No
obstante, los expertos coinciden en señalar que la necesidad por la seguridad es
cada vez más frecuente en nuestra cultura. En Latinoamérica, el panorama no es
diferente, en Brasil, se ha construido por temor a los secuestros y a los robos
violentos, empresas ofrecen un servicio que transforma en inviolable una habitación.
El avance en las técnicas de diseño de blindajes ha permitido adaptar estas
construcciones a otro tipo de necesidades como por ejemplo, la protección frente a
la radiación usado en salas de radiología de hospitales, aceleradores de partículas,
etc.
Uno de los métodos para controlar la exposición a las radiaciones externas es
el empleo de concretos de altas densidades y los blindajes, en muchas ocasiones
denominados blindajes biológicos que consiste en la interposición entre la fuente de
radiación y las personas materiales apropiados que absorban las radiaciones, para
reducir la intensidad de estas a valores aceptables. Esta reducción de la intensidad
se conoce con el nombre de atenuación y es el resultado de las complejas
interacciones entre la radiación y las sustancias absorbentes.
En Venezuela existen algunos ejemplos de estructuras de blindaje. En
Maracaibo, Estado Zulia en el Centro Médico Occidente cuenta con una de ellas y el
Centro Médico Paraíso, que actualmente está en etapa de desarrollo.
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El uso de los equipos generadores de radiaciones ionizantes en las
aplicaciones médicas como técnica de diagnóstico y terapia, ha aumentado su
demanda y como consecuencia la construcción de estructuras de blindajes
destinadas para las mismas. Desafortunadamente, la información requerida para el
diseño de estas estructuras es escasa y las técnicas para la ejecución de la obra,
son pocos conocidas y no comúnmente empleadas en el sector de la construcción.
Por estas razones, en el presente trabajo se determinaron los criterios
necesarios para el diseño de losas y muros macizos de concreto armado para
blindaje biológico del acelerador lineal Digital Elekta Precise generador de Rayos X.
1.2. Objetivos.
1.2.1. Objetivo General:
Determinar los criterios para el diseño de muros y losas macizas de concreto
armado para blindaje biológico.
1.2.2. Objetivos Específicos:
Establecer los factores que inciden en el diseño de losas y muros macizos de
concreto armado para blindaje biológico (Rayos X).
Evaluar los factores que inciden en el diseño de losas y muros macizos de
concreto armado para blindaje biológico (Rayos X).
Diseñar una sala con muros y losas macizas de concreto armado para
blindaje biológico (Rayos X) mediante el uso de una herramienta informática.
1.3. Justificación. La fase de diseño de una estructura es la clave para un buen blindaje, pero
tras su construcción ha de ser conveniente revisarlo para verificar que se cumpla
con los requisitos exigidos y localizar posibles defectos de construcción. Por lo antes
expuesto, se considero apropiado la elaboración del siguiente proyecto, para que
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sirva de guía en un futuro en la ejecución del diseño de losas y muros macizos de
concreto armado destinado a blindar fuentes radiológicas.
Gracias al diseño de los blindajes es posible realizar prácticas que involucran el
manejo de grandes cantidades de material radioactivo de forma segura para las
personas, como las aplicaciones que van desde los complejos contenedores para
almacenar y transportar elementos combustibles gastados, hasta los blindajes fijos
de un acelerador con fines terapéuticos.
1.4. Delimitación.
El presente estudio se realizó en el periodo comprendido desde Enero de 2009
y Agosto de 2009. Fue realizada en la Universidad Rafael Urdaneta, Maracaibo
Edo. Zulia, Venezuela.
Este proyecto esta aplicado en la rama de la Ingeniería Civil y el ámbito que
abarca principalmente es el diseño estructural.
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MARCO TEÓRICO
Esta fase de la investigación constituye la sustentación y construcción teórica del
presente estudio, donde se plasman antecedentes, bases teóricas y sistema de
variables.
2.1. Antecedentes. La estructuras blindadas son edificaciones de concreto armado que han sido
diseñadas y construidas dependiendo del uso al que serán destinadas. A través del
tiempo las necesidades de este tipo de edificaciones han cambiado pero su fin ha sido
siempre el mismo, la protección, desde ataques nucleares, bacteriológicos o químicos
así como también cuartos de seguridad para viviendas.
En la actualidad el desarrollo de la tecnología en el campo de la medicina, ha
originado el uso de estas estructuras para los blindajes de fuentes radioactivas
utilizadas para diagnostico y terapia.
De acuerdo con los objetivos señalados en el Capítulo I y con la variable de
estudio, se indagó en trabajos de investigación que están relacionados con el tópico
del presente estudio. Entre ellos podemos mencionar:
El trabajo de investigación, Blindaje contra las radiaciones. Diseño. Materiales
y cálculo. Rafael González Farfán. 2008. (González, R. 2008).
Uno de los métodos para controlar la exposición a las radiaciones externa es el
empleo de blindajes, en muchas ocasiones denominados blindajes biológicos, que
consiste en la interposición entre las fuentes de radiación y las personas materiales
apropiados que absorban las radiaciones, para reducir la intensidad de estas a valores
aceptables. Esta reducción de la intensidad se conoce con el nombre de atenuación y
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es el resultado de las complejas interacciones entre la radiación y las sustancias
absorbentes.
Este estudio sirvió como guía para identificar los factores de diseño y la
importancia del blindaje biológico.
El trabajo de investigación, Análisis y Diseño de Muros de Contención de
Concreto Armado, Rafael Ángel Torres Belandria, Universidad de los Andes,
Mérida, Facultad de Ingeniería, 2008. (Torres, R. 2008).
En esta investigación se detalla el análisis estructural de los muros de contención
que contempla la determinación de las fuerzas que actúan por encima de la base de
fundación, tales como empuje de tierras, peso propio, peso de la tierra, cargas y
sobrecargas con la finalidad de estudiar la estabilidad del muro. Esto sirvió como
soporte para el cálculo de los muros para la sala de radioterapia, tomando en cuenta
que el contenido de esta publicación está adaptado a las Normas Venezolana
COVENIN 1753 – 2006.
El trabajo de investigación Sala Hermodinámica, David Molero y otros, España
2007.
Sirvió de apoyo, ya que, hace énfasis y estudia la descripción y características
generales que debe poseer una sala para instalaciones radiológicas básicas y en el
cumplimiento de la seguridad para un blindaje biológico.
El artículo Radiobiología, Oswaldo Ramos y Manuel Villareal, de la Revista
Electrónica, 2007, volumen 7, 174 – 177, sirvió de apoyo para este trabajo de
investigación porque hace referencia a la importancia del blindaje biológico en
Venezuela y el paso acelerado del uso de equipos generadores de radiaciones
ionizantes. Señala los efectos biológicos, los objetivos de la protección radiológica y los
métodos de protección radiológica, entre ellos el más importante que es el blindaje.
El trabajo de investigación, Las radiaciones ionizantes y su aplicación en la
agricultura, Celerino Quezada, Universidad de Concepción, Facultad de
Agronomía, Departamento de Suelos, Chile 2007. (Quezada, C.2007).
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Este trabajo de investigación señala la importancia de las radiaciones ionizantes,
cada vez más usadas en medicina, industria y agricultura, lo cual es necesario conocer
sus propiedades físicas y daños biológicos. Hace referencia de los blindajes usados
para la radiación y los diferentes materiales empleados en el mismo.
Por otra parte, en el libro Safety reports series. Radiation Protection in the
design of radiotherapy facilities. Sección de publicaciones de la Agencia
Internacional de Energía Atómica (IAEA). Septiembre del 2006, Austria. (IAEA,
2006).
El objeto de este libro es la ejecución de blindajes para salas de radioterapias,
tomando en cuenta los parámetros de diseño según los estándares básicos
internacionales para la seguridad contra radiaciones.
Este libro sirvió como guía para identificar los criterios de diseño de todo tipo de
salas de radioterapia, describiendo también las dimensiones según los cálculos de cada
una de ellas.
Se halló el trabajo de investigación, SEGURIDAD NUCLEAR Y RADIOLÓGICA,
PARTE II de Héctor Basáez, Comisión Chilena de Energía Nuclear, Santiago de
Chile 2004, (Basaéz, H. 2004).
Sirvió de apoyo en la elección e importancia del concreto armado para el blindaje
biológico, aun no siendo este el material más económico en comparación a otros
materiales, pero si su efectividad para blindar altas energías con anchos muros y losas.
También señala otras técnicas de protección contra la radiación, así como el manejo y
disposición de materiales radioactivos.
Estos trabajos de investigación, sirvieron de apoyo para el desarrollo de la
metodología que presento esta investigación y su principal enfoque: el estudio de los
elementos que conforman las estructuras para blindaje biológico, las losas y muros
macizos.
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2.2. Fundamentos Teóricos.
2.2.1. La Radiación.
El término radiación se refiere a la energía electromagnética transferida a través
de la materia. Todos los seres vivos, incluso el hombre, reciben radiaciones, algunas
inocuas y otras nocivas. (Valiente, R. 2006).
Así, la radiación se puede clasificar en dos categorías principales: 2.2.1.1. Radiaciones No Ionizantes. Incluye todas las formas de radiación cuya manera primaria de interactuar con la
materia no envuelve la producción de pares iónicos. Un par iónico consta de un
electrón, con carga eléctrica negativa y el átomo del que se ha desprendido, que por
tanto poseerá una carga eléctrica positiva. Las fuentes de radiación no ionizante
incluyen: ondas de radio y televisión, radar, microondas, lámparas ultravioleta, rayos
láser, rayos infrarrojos y equipos especiales como diatermias, radiotelemetrías, etc. Su
manera principal de interacción con la materia consiste en las excitaciones atómica y
molecular.
2.2.1.2. Radiaciones Ionizantes. Esta es capaz de producir pares de iones al incidir sobre la materia. Es decir,
afectan de forma directa a la materia sobre las que inciden, al penetrar en sus
estructuras modificándolas. Se dividen en dos grupos:
Radiaciones corpusculares, que tienen masa y carga protones, electrones,
radiación alfa (α) y beta (β).
Radiaciones electromagnéticas, son energía puras compuestas por las
radiaciones gamma, X y neutrónicas que son las más peligrosas por irradiación
externa es decir, donde existe un contacto físico entre el emisor radioactivo y el
medio receptor que se pretende proteger.
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La acción biológica de las radiaciones ionizantes y no ionizantes depende sobre
todo de sus niveles de energía y en segundo lugar de varios factores, a saber, tipo de
tejido irradiado, área corporal, edad del individuo, sexo, frecuencia y acumulación de
dosis, entre otros. (Cuenca, R. 1997).
De acuerdo con el nivel de energía se pueden tener las radiaciones de bajo nivel
que actúan ya sea superficialmente (rayos ultravioleta, microondas, infrarrojos, rayos X
blandos) o con liberación de energía en dosis pequeñas que originan excitación
electrónica y absorción térmica por las moléculas y tejidos (rayos ultravioleta duros,
microondas, diatermias, rayos ß de baja energía, rayos X semiduros) que llegan a
originar efectos somáticos a largo plazo, por ejemplo, la inducción de cáncer en tejidos
sensitivos como son la médula ósea (leucemia), tiroides, ganglios linfáticos y tejido
reticular, tracto gastrointestinal (faringe, estómago e intestino grueso); inducción de
cataratas, infertilidad temporal, defectos de crecimiento y desarrollo fetal. (Cuenca, R.
1997).
2.2.1.3. Aplicación de la Radiación en la Medicina. El empleo de las radiaciones, en las artes curativas, ha proporcionado grandes
avances en la salud de la comunidad. El diagnóstico y tratamiento de la enfermedad e
investigación de la causa, historia y curación de aquélla mediante el empleo de la
radiación, ha aumentado enormemente la esperanza de vida, salud y bienestar.
Sin embargo, en todas las ocasiones en que se haga uso de la radiación se deben
pesar los beneficios esperados y los daños que se pueden ocasionar. (Cuenca, R.
1997).
Las radiaciones ionizantes tienen múltiples aplicaciones en el campo de
la medicina, siendo utilizadas como una herramienta de diagnóstico o con fines
terapéuticos en tres grandes grupos de instalaciones: radioterapia, radiodiagnóstico y
medicina nuclear.
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La especialidad denominada radiología, utiliza los rayos X procedentes de un tubo
de rayos catódicos para la realización de múltiples tipos de exploraciones radiológicas
diagnósticos.
En la especialidad de medicina nuclear se manejan diferentes tipos de isótopos no
encapsulados (en forma líquida o gaseosa) que son administrados al paciente o
utilizados en laboratorio en pruebas analíticas con fines eminentemente diagnósticos.
En el campo de la terapia las radiaciones ionizantes se emplean para el
tratamiento de tumores malignos, dando lugar a la especialidad denominada
radioterapia. Con la radioterapia se busca destruir selectivamente las células
responsables de los fracasos postoperatorios en más de 90 % de los casos de los
tratamientos contra el cáncer. (Cuenca, R. 1997).
La utilización de la radiación ha producido muchos beneficios pero también a
supuesto muchos riesgos, como la sobreexposición de la misma. La dosis que un
individuo recibe de fuentes externas de radiación puede controlarse a través de tres
factores, bien sea independientemente o adecuadamente combinados. Estos tres
factores son:
El tiempo de irradiación.
La distancia con la fuente radioactiva y el individuo.
El blindaje o medio material interpuesto entre la fuente y el individuo
irradiado.
2.2.2. Acelerador de Partículas.
Los aceleradores de partículas son instrumentos que utilizan campos
electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas eléctricamente hasta alcanzar
velocidades (y por tanto energías) muy altas, pudiendo ser cercanas a la de la luz.
Además, estos instrumentos son capaces de contener estas partículas. Un acelerador
puede ser desde un tubo de rayos catódicos ordinario, de los que forman parte de los
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televisores domésticos comunes o de los monitores de los ordenadores, hasta grandes
instrumentos que permiten explorar el mundo de lo infinitamente pequeño, en búsqueda
de los elementos fundamentales de la materia.
Existen dos tipos básicos de aceleradores: por un lado los lineales y por otro los
circulares.
2.2.2.1. Aceleradores Lineales. Los aceleradores lineales (muchas veces se usa el acrónimo en inglés linac) de
altas energías utilizan un conjunto de placas o tubos situados en línea a los que se les
aplica un campo eléctrico alterno. Cuando las partículas se aproximan a una placa se
aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la
traspasan, a través de un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de
forma que en ese momento la placa repele la partícula, acelerándola por tanto hacia la
siguiente placa. Generalmente no se acelera una sola partícula, sino un continuo de
haces de partículas, de forma que se aplica a cada placa un potencial alterno
cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso para
cada haz.
En los aceleradores de partículas más antiguos se usaba un Generador de
Cockcroft-Walton para la multiplicación del voltaje. Esta pieza del acelerador ayudó al
desarrollo de la bomba atómica. Construido en 1937 por Philips de Eindhoven, se
encuentra actualmente en el museo de ciencias naturales de Londres (Inglaterra).
Estos aceleradores son los que se usan en radioterapia y radiocirugía. Estos
aceleradores utilizan válvulas klistrón y una determinada configuración de campos
magnéticos, produciendo haces de electrones de una energía de 6 a 30 millones de
electronvoltios (MeV). En ciertas técnicas se utilizan directamente esos electrones,
mientras que en otras se les hace colisionar contra un blanco de número atómico alto
para producir haces de rayos X.
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Acelerador Lineal Digital ELEKTA Precise. El Acelerador Lineal Digital ELEKTA Precise de Servicio de Rayos X, es un
sistema compacto de uso médico para tratamientos de Radioterapia con fotones de
energías de 6MV A 15MV y electrones con energías de 4 a 18MeV. Permite realizar
tratamientos de las patologías tumorales empleando la combinación de las múltiples
modalidades energéticas referidas, permitiendo una óptima distribución de la dosis en el
tumor y una conformación ideal de los portales de irradiación mediante los colimadores
multihojas, sin la necesidad del empleo protecciones plomadas. Fuente: Planning Guide
(for Precise Treatment Sistem, Sli, Sl and Elekta Synergy Platform).
2.2.3. Protección Radiológica. La protección radiológica es una disciplina científica que tiene como finalidad la
protección del hombre y el medio ambiente contra los riesgos que supone el manejo de
sustancias radioactiva tanto naturales como artificiales.
El almacenamiento de residuos radioactivos se basa en la interposición de una
serie de barreras naturales y artificiales entre estos y el medio ambiente, de manera
que estén perfectamente aislados de la biosfera durante el tiempo necesario hasta que,
por desintegración, su radioactividad decaiga a niveles inocuos. Esto da lugar a los
blindajes.
2.2.3.1. Blindaje Biológico. El término blindaje se refiere a barreras físicas de protección, fabricados en
combinación de diversos materiales, con el propósito de cubrir o proteger un recinto
ante agentes externos, haciéndolo difícilmente penetrable.
Cuando el blindaje se utiliza para reducir convenientemente la exposición sufrida
por personas situadas en las proximidades de una fuente de radiación, se denomina
blindaje biológico. (Ortea, X.1997).
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El cálculo de blindajes biológicos es especialmente complejo para radiación
fotonica o neutrónica, puesto que este tipo de radiación no presenta un alcance definido
y nicamente sufre una cierta atenuación en su paso a través de medios absorbentes.
(Ortea, X.1997).
El blindaje contra partículas cargadas (electrones, protones, partículas alfa, etc.)
presentan menos problemas, ya que al poseer un alcance definido, un absorbente de
espesor ligeramente mayor a dicha penetración máxima configura, en principio, un
blindaje eficaz, puesto que detiene todas las partículas. (Ortea, X.1997).
En todos los casos el problema básico consiste en determinar el espesor, la
composición, o ambas variables de un blindaje para que la dosis equivalente recibida
por el personal protegido no rebase unos límites predeterminados. (Ortea, X.1997).
La existencia de blindajes es indispensable cuando las fuentes son muy activas o
el tiempo de exposición es muy prolongado. Su elección debe hacerse de acuerdo con
el tipo y energía de la radiación considerada.
En general existen dos categorías de blindajes biológicos:
Los blindajes o contenedores, en los que se encuentran las fuentes o
generadores de radiación.
Los blindajes estructurales, es decir, las distintas superficies que delimitan
una sala en las que se generan radiaciones ionizantes del resto de espacio
colindantes.
El primer tipo de protección esta generalmente suministrado por el fabricante de
acuerdo con la normativa vigente. Su emisión principal es la de reducir la emisión de
radiación en las direcciones no útiles o cuando no se esté utilizando en el equipo. Se
denomina radiación de fuga a la fracción de radiación que atraviesa este tipo de
blindaje.
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El blindaje estructural, únicamente será necesario para campos de radiación
fotonica o neutrónica. Se denomina barrera primaria al blindaje sobre el que incide
directamente el haz de radiación y barrera secundaria al resto de elementos que deben
absorber la radiación dispersa y de fuga.
Las principales etapas que deben seguirse en el cálculo o diseño de blindajes son:
Determinar el campo de radiación, sin blindaje, en la posición a proteger.
Establecer el nivel de radiación que se desea obtener con la interposición del
blindaje.
Emplear las expresiones más adecuadas según el tipo de radiación y
geometría para determinar el espesor de material necesario.
2.2.3.2. Consideraciones de diseño para el blindaje biológico.
En el diseño de blindajes es importante elegir el material o materiales necesarios y
determinar el espesor necesario para obtener la protección requerida. (Pucha, A. 2006).
Según el tipo y energía de la radiación y la atenuación requerida, se debe utilizar
distintos tipos de espesores y materiales para blindaje. Por ejemplo, para detener
partículas basta una hoja de papel, la radiación se absorbe totalmente con facilidad
por unos pocos centímetros de algún material como madera, vidrio, plástico u otro de
bajo número atómico.
En cambio para radiación X o , es preciso emplear materiales más densos, como
concreto, hierro, plomo u otros, Como se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Blindaje contra radiaciones ionizantes. Al hablar del material o la combinación de ellos, el concreto es un excelente
material por varias razones: es eficiente para la atenuación de radiaciones, tiene
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buenas propiedades mecánicas y tiene capacidad de tomar cualquier forma. Aunque no
puede, en general, constituir por si solo el blindaje, el acero servirá para reforzarlo,
utilizando armaduras que lo recorren por dentro. Estas armaduras están especialmente
diseñadas ya que logran la total rigidez y resistencia del blindaje a construir.
Deben considerarse también aspectos económicos, tanto de dimensiones de,
como de costes.
Como regla general se puede asumir que los elementos de alto número atómico
(plomo y uranio) son más eficientes y económicos para absorber radiación de energías
medias o relativamente altas, pero su efectividad relativa no lo hace económicamente
conveniente para altas energías, para las cuales se suele blindar con anchos muros de
concreto armado.
2.2.4. Concreto. 2.2.4.1. Definición. El concreto está constituido por dos partes: una es un producto pastoso y
moldeable, que tiene la propiedad de endurecer con el tiempo, y la otra son trozos
pétreos que quedan englobados en esa pasta. Está constituido por agua y un producto
aglomerante o conglomerante, que es el cemento. (Porreo, J. 1996).
2.2.4.2. Materiales.
Agregados:
Constituyen la mayor parte de la masa del concreto, ya que alcanzan a
representar entre el 70% y 85% de su peso.
Los agregados se relacionan con propiedades tales como la trabajabilidad, las
exigencias del contenido de cemento, la adherencia con la pasta y el desarrollo de
resistencias mecánicas, entre otras. (Porrero, J. 1996).
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Cemento: Es el componente activo del concreto e influye en todas las características de
este material. El cemento constituye entre el 10 a un 20% del peso del concreto, siendo
el 80 a 90% de materiales restantes el que condiciona la posibilidad de que se
desarrollen las propiedades del cemento. (Porrero, J. 1996).
El cemento puede obtenerse en la naturaleza o puede fabricarse. Cuando se
fabrica, debe cumplir determinadas especificaciones de la ASTM.
Las normas venezolanas COVENIN y las norteamericanas ASTM, consideran
cinco tipos, los siguientes son:
TIPO I, cemento Portland normal: para uso general, cuando no se requieren
propiedades especiales.
TIPO II, Cemento Portland modificado: se usa para cuando se desea un bajo
calor de hidratación, como en grandes masas de concreto, pilares y estribos pesados y
grandes muros de contención, particularmente en atmosfera cálida.
TIPO III, Cemento Portland de altas resistencias iníciales: para cuando se
desea obtener altas resistencias en un periodo corto.
TIPO IV, Cemento Portland de bajo calor de hidratación: para uso de
grandes masas, como ocurre en represas. En bajo calor de hidratación es deseable
para reducir fisuras efectos de retracción de fraguado.
TIPO V, Cemento Portland muy resistente a la acción de sulfatos: para uso
cuando la estructura debe quedar en contacto con suelos o aguas que contienen gran
cantidad de álcalis.
El cemento de uso más extendido es el que corresponde al TIPO I. En Venezuela
la mayor parte de la producción es de cemento Portland de ese tipo, siendo mucho
menores las producciones del TIPO II y TIPO III, y solo ocasionales las de TIPOS IV y
V.
DERECHOS RESERVADOS
El desarrollo de las resistencias dependen tanto de su composición como de la
finura, y aun dentro de un mismo tipo de cemento, puede haber diferencias notables,
ver tabla 1.
Tabla 1. Porcentaje de resistencia con respecto al concreto de cemento Portland
normal.
Tipo de cemento Portland
Porcentaje de resistencia con respecto al concreto de cemento Portland normal
3 días 28 días 3 meses
TIPO I 100 100 100 TIPO II 80 85 100 TIPO III 190 130 115 TIPO IV 50 65 90 TIPO V 65 65 85
Fraguado, es el lapso de tiempo que transcurre desde el mezclado, hasta el
momento de aparición de atiesamiento. El atiesamiento o perdida de plasticidad de la
pasta es un proceso relativamente gradual, pero el fraguado deseamos definirlo en un
tiempo preciso. El procedimiento más usual es la aplicación de la aguja de Vivat (Norma
Covenin Nº 493, “Cemento Portland: Determinación del tiempo de fraguado por la aguja
de Vicat” y ASTM C 193).
Agua:
Es un ingrediente importante en las mezclas del concreto. Debe ser limpia y pura y
estar libre de sales, álcalis u otros minerales que reaccionan en una forma desfavorable
con el cemento. Por tanto no es recomendable el agua de mar para mezclas de
concreto. (Porrero, J. 1996).
Aditivos: Son aquellos productos químicos que se añaden en pequeña proporción a los
componentes principales de los morteros o los concretos, durante su mezclado y con el
propósito de modificar algunas de las propiedades de las mezclas en estado fresco o en
estado endurecido.
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Su uso, en general se recomienda seguir las indicaciones de uso señaladas por
los fabricantes. Las dosis de aditivo se expresan en cantidades proporcionales al
contenido de cemento y son, según el aditivo, del orden de pocas décimas por ciento
hasta pocas unidades por ciento (desde 0,1 y 0,2% hasta 1,2 y 5%).
La influencia de los aditivos sobre el tiempo de fraguado, consistencia y otras
propiedades de la pasta de cemento o del mortero, y la influencia sobre la consistencia,
el tiempo de fraguado y la trabajabilidad del concreto, siguen en general la misma
tendencia.
2.2.4.3. Características del concreto. Desde el punto de vista en general, son dos las características o propiedades
principales de mayor consideración.
La primera es la relativa a la consistencia o grado de fluidez del material en estado
fresco, la cual se conoce también como manejabilidad, docilidad, trabajabilidad,
asentamiento y otros.
La segunda es el grado de endurecimiento o resistencia que es capaz de adquirir
el concreto. La resistencia se suele medir a través de ensayos mecánicos de
compresión y luego se puede hacer estimaciones sobre la resistencia a otros tipos de
esfuerzos, tales como flexión, corte o tracción.
La calidad de un concreto dado va a depender de la calidad de sus componentes,
de la calidad de su diseño de mezcla y su posterior manejo, de los cuidados de uso y
mantenimiento, y del grado de satisfacción de los requerimientos del caso. (Porrero,
1996).
2.2.4.4. Diseño de Mezclas. Es el procedimiento mediante el cual se calculan las cantidades que debe haber
de todos y cada uno de los componentes que intervienen en una mezcla de concreto,
para obtener ese material el comportamiento deseado, resistencia y durabilidad.
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Un método de diseño de mezclas puede llegar a ser muy complejo, si considera
un gran número de variables y una gran precisión o exactitud en la expresión de sus
relaciones. Pero debe al mismo tiempo, ser de fácil manejo y operatividad. Lo acertado
es lograr un buen equilibrio entre ambos extremos.
Los diseños de mezcla tienen, inevitablemente, cierto grado de imprecisión debido
a que las variables que condicionan la calidad y el comportamiento del concreto son
numerosas y difíciles de precisar. (Porrero, 1996).
2.2.4.5. Tipos de concreto. El concreto es un material con una amplia gama de posibilidades. De este modo
se obtiene la posibilidad de lograr diversas plasticidades, durezas y apariencias, con lo
que puede satisfacer los particulares requerimientos de la construcción. (Porrero, J
1996).
Concretos Especiales. Desde el punto de vista muy amplio, cualquier concreto puede resultar especial en
algún sentido. Entre ellos están los siguientes:
Alta resistencia.
Concreto celular.
Concretos de asentamiento nulo.
Concretos en masa.
Grouting.
Concretos Epóxicos. (Porrero, 1996).
Concreto en masa. Llamamos así a los concretos de las represas hidráulicas y también a los
destinados al vaciado de grandes piezas, de notables proporciones volumétricas, tales
como los estribos de los puentes, fundaciones de gran tamaño, etc. Son piezas en las
cuales la proporción entre su superficie y su volumen es muy baja.
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Por esa poca opción para eliminar por su superficie el calor de hidratación
generado en el interior de su masa, estos concretos pueden tener dilataciones y
contracciones térmicas con capacidad de llegar a generar agrietamientos, que en el
caso de las represas constituyen un peligro de enorme gravedad.
Para evitar o armonizar esos gradientes térmicos en su masa, se acude a diversos
recursos:
Uso de cementos con bajo calor de hidratación o con adiciones.
Bajas dosis de cemento.
Incorporación de agua de mezclado en forma de hielo pulverizado, lo cual
rebaja la temperatura de reacción.
Incorporación del agregado grueso previamente refrigerado por el paso de
corrientes de aire frío.
Inclusión dentro de la masa de concreto un sistema de tuberías o
serpentines, que quedaran embutido y por los cuales se hace circular agua fresca
como elemento de compensación térmica a los calores producidos en el interior.
(Porrero, 1996).
Concreto Armado. Si se refuerza el concreto en masa disponiendo barras de acero en las zonas de
tracción, el material resultante, es llamado concreto armado, está en condiciones de
resistir los distintos esfuerzos que se presentan en las construcciones.
El concreto armado presenta, como ventaja indiscutible frente a los demás
materiales, su cualidad de formaceo, es decir, de adaptarse a cualquier forma de
acuerdo con el molde o encofrado que lo contiene. (Montoya, J.1998).
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El concreto armado, es concreto que contiene barras de refuerzo calculadas y
colocadas según la hipótesis de que los dos materiales trabajen simultáneamente para
resistir las fuerzas.
La resistencia del concreto simple a la tracción es muy pequeña si se le compara
con la resistencia a la compresión y por estas razones las tracciones en el concreto se
desprecian en el cálculo.
2.2.4.6. Acero de refuerzo. El acero de refuerzo para concreto consiste en barras o varillas, alambres o mallas
soldadas, todos los cuales se fabrican de acuerdo con las especificaciones de la ASTM.
Las propiedades más importantes del acero de refuerzo son:
Modulo de elasticidad Es, kg/cm2.
Resistencia a la tracción fs, kg/cm2.
Limite de fluencia o limite elástico, fy, kg/cm2.
Denominación de la clase de acero.
Tamaño o diámetro de las varillas o alambres.
Las designaciones ASTM, resistencia a la tracción y límites elásticos para barras
de refuerzo se indican en la Tabla 2.
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Tabla 2. Propiedades de los aceros de refuerzo.
Tipo de acero
Designación ASTM
Tamaños disponibles
Grado Fy
kg/cm2
Ultima resistencia a la tracción kg/cm2
Billet A-15 2 a 11 Estructural 2320 3870 a 5250 Intermedio 2800 4900 a 6300
Duro 3500 5600 mínimo
Billet A-408 14-S, 18-S Estructural 2320 3870 a 5250 Intermedio 2800 4900 a 6300
Duro 3500 5600 mínimo
Billet A-432 3 a 11 y 14-S, 18-S
ASTM A-432 4200 6300 mínimo
Billet de alta
resistencia A-431 3 a 11 y 14-S,
18-S ASTM A-
431 5275 7000 mínimo
Acero de rieles A-16 2 a 11
3 a 11 Regular Especial
3500 4200
5600 6300
En la actualidad las barras se denominan con un numero, el cual, hasta 1" de
diámetro coincide con el numero de octavos de pulgada del diámetro; para barras de
mayor tamaño, los números se usan solamente como nomenclatura.
La Tabla 3., indica los tamaños, números y varias propiedades de las barras
comúnmente usadas en los Estados Unidos.
Tabla 3. Propiedades de las barras de refuerzo.
Barras estándar A305
Nomenclatura Peso
(kg/m)
Diámetro nominal – sección circular
Antigua (pulg.)
Nueva (números)
Diámetro (pulg)
Diámetro (mm)
Área (cm2)
Perímetro (cm)
¼ # 2 0,25 ¼" 6,35 0,32 2 3/8 # 3 0,56 3/8 " 9,52 0,713 3 ½ # 4 1,00 ½ " 12,7 1,27 4
5/8 # 5 1,55 5/8 " 15,87 1,98 5 ¾ # 6 2,24 ¾ " 19,05 2,85 6
7/8 # 7 3,04 7/8 " 22,22 3,88 7 1 # 8 3,97 1 " 25,4 5,07 8 1 # 9 5,06 1,128 " 28,65 6,45 9
1 1/8 # 10 6,40 1,27 " 32,26 8,19 10 1 ¼ # 11 7,91 1,41 " 35,81 10,06 11,2
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Las barras incluidas en las tablas, se usan principalmente para armadura principal
en vigas, placas, columnas, cimientos, muros y otros elementos estructurales.
2.2.4.7. La adherencia entre el concreto y el acero. La adherencia entre el concreto – acero es el fenómeno básico sobre el que
descansa el funcionamiento del concreto armado como material estructural. Si no
existiese adherencia, las barras serian incapaces de tomar el menor esfuerzo de
tracción, ya que el acero deslizaría sin encontrar resistencia en toda su longitud y no
acompañaría al concreto en sus deformaciones, con lo que, al fisurarse este,
sobrevendría bruscamente la rotura. Por el contrario, gracias a la adherencia son
capaces las armaduras de trabajar, inicialmente, a la vez que el concreto.
La adherencia cumple fundamentalmente dos objetivos: asegurar el anclaje de las
barras y transmitir a las tensiones tangentes periféricas que aparecen en la armadura
principalmente como consecuencia de las variaciones de su tensión longitudinal.
(Montoya, J.).
2.2.5. Losas. Una losa, es un elemento estructural cuyo espesor normalmente constante es de
dimensión más pequeño que el resto de sus dimensiones (largo o ancho), que soporta
cargas aplicadas normales y directamente sobre su superficie y que trabaja
básicamente a flexión.
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2.2.5.1. Tipos de Losas.
Armadas en una dirección Con vigas Armadas en dos direcciones * Vaciadas en sitio (Macizas o nervadas) Sin vigas Armadas en dos direcciones * *Se suele denominar placa a las losas armadas en dos direcciones, reservándose
el nombre de losa a las armadas en un solo sentido.
Para que una losa trabaje como losa propiamente dicha (flexión en una sola
dirección) o como placa (flexión en dos direcciones ortogonales), depende de tres
cuestiones:
a) Si la losa está apoyada en dos lados paralelos y los otros dos lados libres,
necesariamente trabaja como losa. Ver Figura 2.
Figura 2. Losa apoyada en dos lados paralelos.
b) Si la losa está apoyada en todos sus contornos puede suceder que trabaje como
losa o como placa, dependiendo de la relación de luces. Si la relación (luz mayor)/ (luz
menor) es mayor que dos (algunos admiten 1.5), entonces se comporta como losa,
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flexando en el sentido de la luz más corta, pues casi la totalidad de la carga la toma
dicha luz. Demostraremos esta aseveración, si nos imaginamos que la losa está
formada en cada una de las dos direcciones por un grupo de bandas paralelas que se
cortan entre sí. Ver Figura 3.
Figura 3. Losa apoyada en todos sus contornos.
Supongamos que la carga W, reparte según la luz mayor WM y según la luz menor
Wm, tal que:
W = WM + Wm
(Ec. 1) Por razones de continuidad, la flecha en la intersección de dos bandas imaginarias
L y S. ver Figura 3 son iguales, y si las condiciones de borde son iguales para los cuatro
lados, entonces:
(Ec. 2) C = Coeficiente que depende de las condiciones de borde. Resolviendo las ecuaciones anteriores:
(Ec. 3)
(Ec.4)
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Pero como (LM/Lm) = 2, entonces Wm = 0.94 W y WM = 0.058 W, es decir la
dirección más corta absorbe el 94% de la totalidad de la carga.
c) Si la losa está apoyada en todo su contorno, pero existen nervios solo en una
dirección, entonces estamos obligando a la losa que trabaje en ese sentido, pues en la
dirección perpendicular a los nervios ella no posee suficiente rigidez y en consecuencia
no flexa. En este caso la relación de luz mayor a luz menor no tiene importancia. Este
es el caso de losas nervadas armadas en un sentido.
La escogencia de uno u otro tipo de losa, viene determinada por varios factores: Cargas.
Luces.
Facilidad constructiva.
Costo de materiales.
Aislamiento térmico.
Estética.
Las losas macizas son más convenientes para soportar cargas grandes, siendo
las placas más eficientes que las losas. (Barboza, 1989).
2.2.5.2. Placas de Fundación. Una placa de fundación es una losa armada en dos direcciones ortogonales, de
grandes dimensiones, que sirve de cimiento a un grupo de columnas o muros, o soporta
estructuras tales como silos, estanques de agua, depósitos, chimeneas, torres de alta
tensión, etc. (Fratelli, M. 1993).
En general, en las estructuras usuales de edificios, resulta más económico fundar
las diferentes columnas y muros en bases aisladas o corridas, con armadura
únicamente en la cara inferior de las zapatas. En las placas, por el contrario, el volumen
de concreto es considerable y por lo general se las arma junto a los bordes superior e
inferior lo cual encarece su costo. (Fratelli, M. 1993).
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En ciertos casos, se prefiere recurrir al uso de placas de fundación, por las
ventajas que ofrecen de una mayor rigidez de conjunto y un mejor comportamiento
estructural, especialmente en los siguientes casos:
Cuando el suelo de fundación ofrece una limitada capacidad portante.
Para evitar asentamientos considerables si el subsuelo presenta zonas
débiles o defectos.
Si existe la posibilidad de nivel freático, con una subpresión que pueda
levantar las bases aisladas poco cargadas.
Como apoyo de muros y columnas muy cargados, cuya bases
independientes exigen un área de planta que supere el 50% del área del
predio.
Desde el punto de vista estructural, las placas de fundación son similares a
entrepisos invertidos, donde las cargas distribuidas resultan las reacciones del suelo,
actuando de abajo hacia arriba, y las columnas y muros actúan como apoyos puntuales
o lineales. (Fratelli, M.1993)
Para el diseño de las placas de fundación, son aceptables las hipótesis
simplificadas enumeradas para las bases aisladas. Tomando en cuenta las de la Figura
4.
Figura 4. Distribución de presiones bajo placas de fundación. En general, el espesor de las placas de fundación queda determinado por su
resistencia a corte y punzonado, especialmente cuando las columnas están ubicadas
cerca de los bordes, pues en este caso el perímetro de punzonado se reduce
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considerablemente. La tracción diagonal debida al corte y punzonado será resistida
únicamente por el concreto, por lo cual la altura de las placas es usualmente elevada, y
la rigidez se incrementa consecuentemente. (Fratelli, M. 1993).
Las placas de fundación se pueden clasificar según:
Su sección transversal.
Su forma en planta.
El tipo de solicitación.
Las cargas que soportan.
La rigidez estructural. Según la sección transversal de las placas, se distinguen:
Las placas macizas.
Las nervadas.
Las de tipo cajón. Las placas macizas son las más simples, con espesor uniforme entre 0,75 y 2 m
de altura, y armadas en dos direcciones ortogonales en forma ininterrumpida, en sus
bordes superior e inferior, como se detalla en la figura 5.
Figura 5. Placa maciza de fundación.
Generalmente las columnas y muros que apoyan en las placas se alinean
perpendicularmente entre sí, si bien es posible que también se distribuyan
aleatoriamente. En todos los casos se debe verificar que las cargas transmitidas no
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superen los esfuerzos admisibles del suelo, ni los esfuerzos límites en las secciones de
concreto armado, por flexión, corte y punzonado.
Cuando estos esfuerzos en el concreto son excesivos, en las placas macizas se
pueden buscar soluciones alternas, entre las cuales se mencionan:
a) Aumentar la altura útil de la placa.
b) Colocar pedestales en la base de las columnas. c) Ensanchar la base de las columnas en forma de campana.
d) Acartelar la placa en el plano inferior de la fundación, bajo las
columnas.
e) Armar la placa con acero a corte y punzonado.
f) Construir una placa nervada, con vigas conectando las columnas en el borde
superior de la placa. (Fratelli, M. 1993).
Las placas macizas pueden resultar rígidas o flexibles, dependiendo de su
espesor, de la distancia entre columnas, y de la magnitud de las cargas que ´estas
transmiten a la placa. Para que sean rígidas se deben cumplir ciertas condiciones, entre
las cuales se enumeran:
El estado de solicitación debe ser controlado por el corte o el punzonado.
El espesor de la placa debe ser tal que el concreto solo, resista los esfuerzos
tangenciales, sin la colaboración de hacer de refuerzo por corte.
Las cargas entre columnas adyacentes no varíe en más del 20% entre sí. 2.2.6. Muros Portantes.
Los muros son elementos verticales que se usan para cerrar y separar espacios,
se usan mucho en la construcción por sus propiedades resistentes. Por las cargas que
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reciben pueden clasificarse en muros portantes, no portantes y muros estructurales o
de corte.
Los primeros son aquellos que soportan cargas verticales y/o cargas horizontales
perpendiculares a él además de su peso propio, mientras que los segundos solo
resisten su peso propio y eventualmente cargas horizontales.
Los muros estructurales o de corte, se diferencian de los dos anteriores porque
resisten cargas horizontales paralelas a las caras del muro, las cuales genera esfuerzos
importantes en la estructura. Los muros de corte pueden ser portantes o no portantes.
Los muros portantes no tienen restricciones en cuanto a sus dimensiones. Su
diseño depende del tipo y magnitud de las cargas exteriores actuantes. Estas cargas se
consideran en todos los casos aplicadas en el plano del muro en el cual este ofrece su
máxima rigidez lateral y axial.
2.2.7. Muros de contención. Los muros de contención se utilizan para detener masas de tierra y otros
materiales sueltos cuando las condiciones no permiten dejar que estas masas asuman
sus pendientes naturales. Estas condiciones se presentan cuando el ancho de una
excavación, corte o terraplén está restringido por condiciones de propiedad, utilización
de la estructura o economía. Por ejemplo, en la construcción de vías férreas o de
carreteras, el ancho de servidumbre de la vía es fijo y el corte o terraplén debe esta
contenido dentro de este ancho. De manera similar, los muros de los sótanos de
edificios deben ubicarse dentro de los límites de la propiedad y contener el suelo
alrededor del sótano.
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Los muros de contención auto portantes, a diferencia de aquellos que forman
parte de estructuras como los muros de sótanos, son de varios tipos y los más comunes
se ilustran en la Figura 5. (Arthur H. Nilson, 1994).
Figura 6. Tipos de muros de contención, a) muro de gravedad, b) muro en
voladizo, c) muro de contrafuertes.
El diseño de los muros de contención estables y seguros debe cumplir con las
siguientes condiciones (Fratelli, M. 1993):
El muro debe ofrecer la necesaria resistencia estructural para soportar las
solicitaciones debidas a los empujes impuestos.
El muro debe cumplir con los requisitos necesarios para evitar el volcamiento
y el deslizamiento por efecto de las cargas horizontales o inclinadas aplicadas sobre él.
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No deben superarse los valores admisibles de asentamientos bajo la presión
del muro en el suelo de fundación, ni su falla por superar los esfuerzos limites.
Desde el punto de vista estructural, todo muro debe ser resistente para soportar
las cargas debidas a lo empujes, las fuerzas gravitacionales y las reacciones del suelo y
sus deformaciones serán limitadas. Además permanecerán estables, no deben
moverse. Existen tres formas de movimiento de un muro (Fratelli, M. 1993):
Horizontal, por deslizamiento.
Vertical, por asentamiento.
Rotacional, por volcamiento.
Un muro puede fallar por dos maneras diferentes: 1) las partes individuales
pueden no ser suficientemente fuertes para resistir las fuerzas que actúan y 2) el muro
como un todo puede desplazarse globalmente por la presión de tierra. Para diseñar
contra la primera posibilidad se requiere la determinación de las dimensiones,
espesores y refuerzos necesarios para resistir los momentos y los cortantes.
Para salvaguardar el muro contra desplazamientos globales, es decir, para
garantizar si estabilidad externa, se requieren unas consideraciones especiales. En
forma consistente con la práctica actual en la ingeniería geotécnica, la investigación de
estabilidad se basa en las presiones reales de tierra (tan precisas como puedan
determinarse) y en las cargas muertas y vivas de servicio calculadas o estimadas, todas
sin coeficiente de carga. Las presiones calculadas de contacto se comparan con los
valores admisibles y los factores globales de seguridad se evalúan comparando las
fuerzas resistentes con las máximas fuerzas que actúan en condiciones de servicio.
(Arthur H. Nilson, 1994).
En el cálculo de las presiones de tierra sobre muros, con frecuencia se encuentran
tres condiciones usuales de carga:
1) Relleno con superficie horizontal en la parte superior del muro.
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2) Relleno con superficie inclinada con pendiente hacia arriba y hacia atrás
desde la parte superior del muro.
3) Relleno con superficie horizontal que soportan una carga adicional
uniformemente distribuida (sobrecarga) como la que generan las mercancías en
patios de almacenamiento o por tráfico en una carretera.
La distribución de presiones para los casos 1, 2 y 3 se presenta en la Figura 7.
Figura 7. Presiones de tierra para a) superficie horizontal, b) superficie con
pendiente, c) superficie horizontal con sobrecarga s.
2.2.7.1. Empujes del Terreno. Los muros son estructuras cuyo principal objetivo es el de servir de contención de
terrenos naturales o de rellenos artificiales. La presión del terreno sobre el muro está
fundamentalmente condicionada por la deformabilidad de éste.
Para la evaluación del empuje de tierras deben tomarse en cuenta diferentes
factores como la configuración y las características de deformabilidad del muro, las
propiedades del relleno, las condiciones de fricción suelo-muro, de la compactación del
relleno, del drenaje así como la posición del nivel freático. En la Tabla 4., se
encontraran los valores correspondientes para las condiciones anteriores según el tipo
de terreno al que se apoyara la estructura.
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Tabla 4. Angulo de fricción interna y Angulo de fricción entresuelo y muro.
La magnitud del empuje de tierras varía ampliamente entre el estado activo y el
pasivo dependiendo de la deformabilidad del muro.
Si éste se mueve alejándose de la masa de suelo origina condiciones de empuje
activo, si permanece sin movimiento origina condiciones de empuje de reposo, estos
dos casos representan el estado de presión estática, y si se mueve hacia adentro de la
masa de suelo origina una condición de empuje pasivo, que representa un estado de
presión forzada. (Fratelli, 1993).
Los empujes laterales que el suelo ejerce sobre los muros de contención pueden
clasificarse en:
Empuje Neutro.
Empuje Activo.
Empuje Pasivo.
Empuje por sobrecarga.
Empuje Dinámico.
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2.2.7.2. Empuje Neutro o de Reposo. Si el muro de contención es tan rígido que no permite desplazamiento en ninguna
dirección, las partículas de suelo no podrán desplazarse, confinadas por el que las
rodea, sometidas todas ellas a un mismo régimen de compresión, originándose un
estado intermedio que recibe el nombre de empuje de reposo de la tierra. (Fratelli,
1993).
Es decir, cuando el muro o estribo está restringido en su movimiento lateral y
conforma un sólido completamente rígido, la presión estática del suelo es de reposo y
genera un empuje total Eo, aplicado en el tercio inferior de la altura.
La resultante Eo es la fuerza debida al empuje neutro, por unidad de longitud de
altura del muro H. Para suelos secos:
(Ec. 5)
Ko es el coeficiente de presión de reposo. Para suelos normales o suelos granulares se utiliza con frecuencia para
determinar el coeficiente de empuje de reposo la expresión de (Jáky, 1944):
(Ec. 6) El diagrama de cargas es triangular. La resultante Eo se ubica a H/3 del suelo
según se indica en el esquema de la Figura 8.
Figura 8. Empuje de reposo.
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Los valores de Ko se indican en la tabla 5 para algunos tipos de suelo, según Terzaghi.
Tabla 5. Valores de Ko para algunos tipos de suelos.
TIPO DE SUELO Ko
Arenas densas 0,40 – 0,45 Arenas sueltas 0,45 – 0,50 Arenas firmes 0,8
Arenas blandas 1 Un elemento diferencial ubicado a una profundidad z de la superficie del suelo, se
encuentra impedido de dilatarse por el suelo que lo rodea, dando origen a una
compresión horizontal uniforme en todas las direcciones del plano, que recibe el
nombre de empuje de reposo. (Torres, R. 2008).
La relación de Poisson ν permite generalizar la ley de Hooke en caso de esfuerzos
en tres ejes ortogonales. Para un suelo que se apoya sobre un muro inmóvil y sin
fricción. El coeficiente de empuje de reposo en función de ν:
(Ec. 7)
El proceso de compactación genera sobre las estructuras empujes superiores a la
condición activa, pareciéndose la presión generada por esta actividad a la condición de
reposo. (Torres, R. 2008). En la tabla 6, se presentan valores de ν para varios tipos de
suelo.
Tabla 6. Módulo de Poisson aproximado para diferentes tipos de suelo.
Tipo de suelo v Arena suelta O,20 – 0,35 Arena densa 0,30 – 0,40 Arena fina 0,25 Arena gruesa 0,15 Arcilla arenosa O,20 – 0,35 Arcilla húmeda 0,10 – 0,30 Arcilla saturada 0,45 – 0,50 Limo 0,30 – 0,35 Limo saturado 0,45 – 0,50
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2.2.7.3. Empuje por Sobrecarga En ciertas ocasiones los muros de contención tienen que soportar sobrecargas
uniformes q, originadas por el tráfico o por depósitos de materiales en la superficie,
incrementando la presión sobre el muro.
El procedimiento usual para tomar en cuenta la sobrecarga uniforme es
transformarla en una porción de tierra equivalente de altura Hs, con peso específico
similar al del suelo de relleno. (Torres, R. 2008).
La altura Hs se coloca por encima del nivel del suelo contenido por el muro.
(Ec. 8) El empuje activo o de reposo del suelo con sobrecarga Es (Ea’), para cualquiera
de las teorías estudiadas, resulta ser según se indica en la Figura 9:
Figura 9. Empuje por Sobrecarga.
(Ec. 9)
(Ec. 10) El procedimiento descrito solo sirve para sobrecargas uniformemente distribuidas,
para sobrecargas no uniformes o lineales se debe realizar un estudio detallado según
sea el caso.
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2.2.7.4. Incremento dinámico de presión por el efecto sísmico.
Los efectos dinámicos producidos por los sismos se simularán mediante empujes
de tierra debidos a las fuerzas de inercia de las masas del muro y del relleno. Las
fuerzas de inercia se determinarán teniendo en cuenta la masa de tierra apoyada
directamente sobre la cara interior y zapata del muro con adición de las masas propias
de la estructura de retención.
El empuje sísmico generado por el relleno depende del nivel de desplazamiento
que experimente el muro. Se considerará un estado activo de presión de tierras cuando
el desplazamiento resultante permita el desarrollo de la resistencia al corte del relleno.
Si el desplazamiento de la corona del muro está restringido, el empuje sísmico se
calculará con la condición de tierras en reposo.
El estado pasivo de presión de tierras solo puede generarse cuando el muro tenga
tendencia a moverse hacia el relleno y el desplazamiento sea importante. (Torres, R.
2008).
Incremento Dinámico del empuje de reposo. Si el suelo está en la condición de reposo, los efectos sísmicos incrementan la
presión de reposo sobre la estructura.
Se puede adoptar un diagrama de presión trapezoidal con ordenadas superior en
el tope del muro σxs, y ordenada inferior en la base del muro σxi. La figura 10, muestra
un muro con diagrama de presión estática mas incremento dinámico del empuje de
reposo.
(Ec. 11)
(Ec. 12)
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El incremento dinámico del empuje de reposo ΔDEo se aplicará a 0,60 H desde la
base del muro y se determinará con la expresión:
(Ec. 13)
Ao es la aceleración del suelo según el mapa de zonificación sísmica de cada
país, en Venezuela los valores de A0 son los indicados por la norma COVENIN 1756-
98 (Rev. 2001), ver tabla 7 y anexo A.
Figura 10. Empuje de Reposo + Incremento Dinámico del Empuje de Reposo
2.2.8. Diseño de estructuras. En la actualidad existen básicamente dos métodos de diseño en concreto armado:
diseño elástico o por cargas de servicio y diseño a la rotura o por resistencia última.
El diseño elástico consiste en conseguir que los esfuerzos elásticos no excedan
los esfuerzos admisibles que son una fracción de la resistencia del concreto y del
esfuerzo de fluencia del acero. En el diseño de estructuras es importante considerar el
tipo de fallas, dúctil o frágil, que presenta un elemento bajo determinadas solicitaciones
y, en la medida de lo posible, orientar la falla según sea conveniente. El método elástico
no considera este punto. El método elástico tampoco determina la carga que ocasiona
la rotura de la pieza por ello, su factor de seguridad no es conocido.
El diseño por rotura se fundamenta en la predicción de la carga que ocasiona la
falla del elemento y analiza el modo de colapso del mismo. Este método toma en
consideración el comportamiento inelástico del acero y del concreto y por lo tanto, se
estima mejor la capacidad de carga de la pieza. La desventaja de este método es que
solo se basa en criterios de resistencia. Sin embargo, es necesario garantizar que las
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condiciones de servicio sean óptimas, es decir, que no se presenten deflexiones
excesivas, ni agrietamientos críticos.
El código del ACI presenta los dos métodos de diseño. Sin embargo, da mayor
énfasis al diseño de la rotura. Este diseño por resistencia, presenta la ventaja que el
factor de seguridad de los elementos analizados puede ser determinado.
Las cargas de servicio se estiman haciendo uso de las normas y el análisis
estructural se efectúa bajo la hipótesis de un comportamiento elástico de la estructura.
2.2.8.1. Acciones a las que está sometida la estructura. Se entiende por acciones los fenómenos que producen cambios en el estado de
tensiones y deformaciones en los elementos de una edificación, como las cargas, los
asentamientos, los efectos de temperatura y geología, etc. (Norma COVENIN 2002 –
88. Criterios y acciones mínimas para el proyecto de edificaciones).
La siguiente clasificación se establece de acuerdo a la distribución de las acciones
con relación al tiempo:
Acciones permanentes: Son las que actúan continuamente sobre la edificación y cuya magnitud puede
considerarse invariable en el tiempo, como las cargas debido al peso propio de los
componentes estructurales y no estructurales: pavimentos, rellenos paredes, tabiques,
frisos, instalaciones fijas, etc. Igualmente el empuje estático de líquidos y tierras que
tengan un carácter permanente, las deformaciones y los desplazamientos impuestos
por el efecto de pretensión, los debidos a movimientos diferenciales permanentes de los
apoyos, las acciones reológicas y de temperatura permanentes, etc.
Para la determinación de las cargas permanentes se usaran los pesos de los
materiales y elementos constructivos a emplear en la edificación, según la tabla 7.
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Tabla 7. Pesos unitarios probables de materiales de construcción.
Concretos Kg/m3
Concreto de agregados livianos 1400 – 1800 Concreto de agregados ordinarios 2400
Concreto armado de agregados livianos 1400 – 1800 Concreto armado de agregados ordinarios 2500
Pesos unitarios probables de elementos constructivos. Losas para entre pisos y techos. Losas macizas: las cargas permanentes de los
entrepisos formados por losas macizas, armadas en una o dos direcciones, se
calcularan multiplicando su espesor por el peso unitario del concreto armado.
Otras acciones permanentes:
Cargas de equipos fijos: se consideraran como cargas permanentes los
equipos fijos que son parte de instalaciones sanitarias, eléctricas, de ventilación,
aire acondicionado u otras.
Deformaciones permanentes: se consideraran los asentamientos
permanentes de partes de la estructura debidos a deformaciones del suelo de
fundación, cuando puedan producir solicitaciones significativas, como por ejemplo
las debidas a asentamientos diferenciales entre partes de una estructura con
distintos tipos de fundaciones o suelos.
Acciones Variables: Son aquellas que actúan sobre la edificación con una magnitud variable en el
tiempo y que se deben a su ocupación y uso habitual, como las cargas de personas,
objetos vehículos, ascensores, maquinarias, grúas móviles, sus efectos de impacto, así
como las acciones variables de temperatura y reológicas, y los empujes de líquidos y
tierras que tengan un carácter variable.
Las cargas variables se determinaran mediante estudios estadísticos que permitan
describirlas probabilísticamente. Cuando no se disponga de estos estudios o de una
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información más precisa, se podrá usar valores no menores a los indicados en la tabla,
la cual está organizada según los usos de la edificación y sus ambientes.
Tabla 8. Mínimas cargas distribuidas variables sobre entre pisos kg/m2.
NOTAS: GENERAL: Aquellos renglones que no tengan valores establecidos, podrán asimilarse a casos semejantes. 1. Oficinas: 250 kgf/m2. Aulas, Quirófanos y Laboratorios: 300 kgf/m2. Cocinas, Servicios, etc.: 400 kgf/m2. 2. La que corresponda a su uso, pero no menor de 100 kgf/m2. 3. Para barandas, pasamanos y antepechos, véase la sección 5.3.4. 4. Para balcones con l ≤ 1.20 m. se aplica la nota (2). Independientemente del valor de l, se aplicará en el extremo del volado una carga lineal de 150 kgf/m. 5. Salas de lectura: 300 kgf/m2. Salas de archivo: Según ocupación y equipos, pero no menor de 500 kgf/m2. Zona de estanterías con libros: 250 kgf/m2 por cada m. de altura, pero no menor de 700 kgf/m2. Depósitos de libros, véase nota 8. 6. Para vehículos de pasajeros: 250 kgf/m2 y además se verificará para una carga concentrada de 900 kgf distribuida sobre un cuadrado de 15 cm de lado y colocada en el punto más desfavorable. Para autobuses y camiones: 1000 kgf/m2 y además se verificará para una carga concentrada igual a la carga máxima por rueda distribuida en un cuadrado de 15 cm de lado. 7. Según especificaciones particulares. Para piso de sala de máquinas de ascensores: 2000 kgf/m2, incluyendo el impacto. 8. Según especificaciones particulares, pero no menor de 250 kgf/m2 por metro de altura del depósito; véase Tabla 4.2. Depósito de libros apilados y estanterías sobre rieles: 1100 kgf/m2 por cada m de altura.
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La tabla suministra los valores mínimos de las cargas variables sobre entrepisos,
las cuales se han supuesto que están distribuidas uniformemente, incluyendo efectos
dinámicos y de impacto.
Las cargas variables sobre entre pisos depende del uso que se le dará a la
edificación. Los valores de sobrecargas por la norma: acciones mínimas para el
proyecto de edificaciones, estipula que la carga viva para sala de operaciones y
laboratorios de hospitales debe ser de 300 kg/m2. (Barboza, 1989).
Acciones accidentales:
Son las acciones que en la vida útil de la edificación tienen una pequeña
probabilidad de ocurrencia solo durante lapsos breves de tiempo, como las acciones
debidas al sismo, al viento, etc.
Las acciones pueden actuar en diferentes combinaciones, por lo que las
fundaciones, la estructura, y todos sus componentes, deberán analizarse o revisarse
para la envolvente de las solicitaciones que produzcan los efectos más desfavorables
en la edificación, estos pueden ocurrir cuando algunas acciones no están actuando.
Las acciones se combinaran en la forma establecida en las normas aplicables al
material utilizado y a los estados limites considerados. En ausencia de disposiciones
específicas para determinar los efectos más desfavorables se tomaran en cuenta las
siguientes combinaciones:
1) Acciones permanentes. 2) Acciones permanentes y acciones variables. 3) Acciones permanentes y acciones accidentales. 4) Acciones permanentes y acciones variables conjuntamente con acciones
accidentales. (Norma COVENIN 2002 – 88. Criterios y acciones mínimas
para el proyecto de edificaciones).
DERECHOS RESERVADOS
2.2.9. Armaduras. Las armaduras que se disponen en el concreto armado pueden clasificarse en
principales y secundarias, debiendo distinguirse entre las primeras las armaduras
longitudinales y las transversales.
Las armaduras longitudinales tienen por objeto, bien absorber los esfuerzos de
tracción originados en los elementos sometidos a flexión o a tracción directa, o bien
reforzar las zonas comprimidas del concreto. Las armaduras transversales se disponen
para absorber las tensiones de tracción originadas por los esfuerzos tangenciales
(cortantes y torsores), así como para asegurar la necesaria ligadura entre armaduras
principales, de forma que se impida la formación de fisuras localizadas.
Las armaduras secundarias son aquellas que se disponen, bien por razones
meramente constructivas, bien para absorber esfuerzos no preponderantes, más o
menos parásitos. Su trazado puede ser longitudinal o transversal, y se incluyen entre
ellas: las armaduras de montaje, cuyo fin es facilitar la organización de las labores de
ferralla; las armaduras de piel, que se disponen en los parámetros de vigas de canto
importante; las armaduras para retracción y efectos térmicos, que se disponen en los
forjados y losas en general; las armaduras de reparto, que se colocan bajo cargas
concentradas y, en general, cuando interesa repartir una carga; etc. Además de su
misión específica, las armaduras secundarias ayudan a impedir una fisuración excesiva
y contribuyen al buen atado de los elementos estructurales, facilitando que su trabajo
real responda al supuesto en el cálculo. (Montoya, J. 1998).
2.2.9.1. Colocación de las armaduras. Las armaduras deben colocarse limpias, exentas de oxido no adherido, así como
libres de pintura, grasa, hielo o cualquier otra sustancia perjudicial. Deberán sujetarse al
encofrado y entre sí, de modo que se mantengan en su posición correcta, sin
experimentar movimientos, durante el vertido y compactación del hormigón, y permitan
a este envolverlas sin dejar coqueras.
DERECHOS RESERVADOS
No es conveniente el empleo simultáneo de aceros de diferente límite elástico
para armar una misma pieza, debido al peligro de que se puedan confundir unas barras
con otras. Sin embargo, pueden usarse aceros diferentes para las armaduras
principales, por una parte, y los cercos y estribos por otra. (Montoya, J.1998).
2.2.9.2. Distancia entre barras. Las distintas barras que constituyen las armaduras de las piezas de concreto
armado deben tener unas separaciones mínimas, para permitir que la colocación y
compactación del concreto pueda efectuarse correctamente, de forma que no queden
coqueras. Las normas de los distintos países preconizan valores más o menos
coincidentes con los que se indican a continuación.
La distancia horizontal libre de dos barras consecutivas de la armadura principal
debe ser igual o mayor que el mayor de los tres valores siguientes:
Dos centímetros.
El diámetro de la barra más gruesa.
1,2 veces el tamaño máximo del árido.
La distancia vertical libre entre dos barras consecutivas debe ser igual o mayor
que el mayor de los dos valores siguientes:
Dos centímetros.
0,75 veces el diámetro de la barra más gruesa.
En soportes y otros elementos verticales pueden colocarse dos o tres barras de la
armadura principal en contacto, siempre que sean de adherencia mejorada. Tanto en
este caso como en el anterior, se recomienda que los grupos de barras vayan bien
sujetos por estribos o armaduras transversales análogas. (Montoya, J.1998).
DERECHOS RESERVADOS
2.2.9.3. Recubrimientos mínimos. Se denomina recubrimiento de una barra a la distancia libre entre su superficie y el
paramento más próximo de la pieza. El objeto del recubrimiento es proteger las
armaduras, tanto de corrosión como de la posible acción del fuego. Por ello es
fundamental la buena compacidad del concreto del recubrimiento, más aun que su
espesor.
Las diferentes normas establecen para los recubrimientos unas limitaciones más o
menos coincidentes con las que recomendamos a continuación:
a) Como norma general, cualquier barra debe quedar, por lo menos, a un
diámetro de distancia libre al paramento más próximo.
b) El valor máximo admisible para el recubrimiento de la capa exterior de
armaduras es de cuatro centímetros. Si es de necesario disponer un mayor
recubrimiento y salvo casos especiales de ambientes agresivos, debe
colocarse una malla fina de reparto.
c) Además de lo dicho en a) y b), deben respetarse los recubrimientos mínimos
indicados en la Tabla 9.
Tabla 9. Recubrimientos libres mínimos, en mm. (Montoya, J. 1998).
Elementos Estado del elemento
Protegido No protegido Muy
expuesto
Muros 15 20 30
DERECHOS RESERVADOS
Fundaciones: Según la Figura 11:
X ≥ 5 cm cuando se empleen formaletas laterales. X ≥ 7,5 cm cuando no se empleen.
Cuando están expuestos en la intemperie o tierra, Z ≥ 5 cm (superficies
formaleteadas).
Z o X es siempre mayor que el diámetro de la varilla.
Figura 11. Separación de varillas y recubrimientos en fundaciones.
Placas y viguetas. Según la Figura 12:
Y ≤ 3 t.
Y ≤ 45 cm.
Y ≥ diámetro de las varillas.
Y ≥ 1 1/3 veces el tamaño máximo del agregado.
Y ≥ 2,5 cm
DERECHOS RESERVADOS
Si están expuestas a la intemperie:
Z ≥ 3,8 cm para barras N° 5 o menores.
Z ≥ 5,0 cm para barras mayores de N° 5. Si no están expuestas a la intemperie:
Z ≥ 2,0 cm Si S > 75 cm, la vigueta debe considerarse como viga.
Nota: estas normas se aplican también a placas macizas sin viguetas, pero no a placas
fungiformes.
Figura 12. Separación de varillas y recubrimiento en placas y viguetas.
Muros. Según la Figura 13:
Y ≤ 5 t (armadura para temperatura).
Y ≤ 3 t (armadura principal).
Y ≤ 45 cm.
Y ≥ diámetro de las varillas.
Y ≥ 1 1/3 veces el tamaño máximo del agregado.
Y ≥ 2,5 cm
DERECHOS RESERVADOS
Cuando no están expuestos a la intemperie o tierra: Z ≥ 2,0 cm Si están expuestos a la intemperie o tierra:
Z ≥ 3,8 cm para barras N° 5 o menores.
Z ≥ 5,0 cm para barras mayores de N° 5.
Figura 13. Recubrimiento y separación. Muros.
Para contrarrestar los esfuerzos de retracción y temperatura de losas de entrepiso
y techos armados en una sola dirección, se proporcionan una armadura de repartición
perpendicular a la principal.
La relación del área de la armadura de retracción y temperatura respecto al área
de la sección total del concreto no será mayor de 0.0014 ni el caso de, losas con barras
corrugadas de fy= 2800 kg/cm2, 0.0020.
El refuerzo de retracción y temperatura se colocara con una separación que no
exceda de 45 cm., ni de 5 veces el espesor de la losa.
Los recubrimientos mínimos serán:
Piezas en contacto con el terreno: 4 cm.
Piezas vaciadas contra el terreno y permanentemente en contacto con el
mismo: 7 cm. (Barboza, 1989.)
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2.2.9.4. Doblado de las armaduras. Las armaduras deben doblarse con radios amplios, para no provocar
concentraciones de tensiones en el concreto, que serian perjudiciales.
La operación de doblado debe efectuarse en frio y a velocidad moderada,
admitiéndose solo el doblado en caliente para barras de acero ordinario de diámetro
igual o superior a 25 mm. (Montoya, J.).
2.2.9.5. Anclaje de las armaduras. Los anclajes extremos de las barras deben asegurar la transmisión de esfuerzos al
concreto sin peligro para este. En general, se efectúan mediante alguna de las
disposiciones siguientes:
Por prolongación recta.
Por gancho o patilla.
Por armaduras transversales soldadas.
Por dispositivos especiales.
Es aconsejable, como norma general, disponer los anclajes en zonas en las
que el concreto no esté sometido a fuertes tracciones y en apoyos extremos, a
bajar las armaduras, dobladas a 90°, por la cara más alejada del soporte o muro.
(Montoya, J. 1998).
2.2.9.6. Empalmes de las armaduras.
Los empalmes de las barras pueden efectuarse mediante alguna de las
disposiciones siguientes: por solapo, por soldadura o por manguito u otros dispositivos.
Siempre que sea posible, deben evitarse los empalmes en las armaduras; de ser
necesarios, conviene que queden alejados de las zonas en que las armaduras trabajen
en su máxima carga. (Montoya, J.1998).
DERECHOS RESERVADOS
2.2.9.7. Organización de las armaduras en elementos de concreto armado. En el armado de piezas de concreto, resulta conveniente aplicar algunas reglas de
buena práctica que tienden, por una parte, a garantizar el buen comportamiento
mecánico de los elementos, y por otra, a una normalización de características, que
conduce a economías tanto en costes como en plazos de ejecución, a la vez que facilita
la labor del proyecto. (Montoya, J.).
Nudos y encuentros. Los nudos son zonas singulares en las que suele concentrarse mucha armadura,
por lo que conviene estudiar la disposición de la misma con objeto de facilitar el
vaciado.
En los encuentros de muros las armaduras deben anclarse como indican en
dichas figuras, la variante b) emplea más armaduras que la a) pero resulta de ejecución
más sencilla. (Montoya, J.).
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Figura 14. Nudos y encuentros en muros.
2.2.10. Requisitos Básicos. Toda edificación o cada una de sus partes deberán tener la resistencia, la rigidez y
la estabilidad necesaria para comportarse satisfactoriamente y con seguridad para los
estados limites que puedan presentarse durante su vida útil. En consecuencia, el
proyecto arquitectónico deberá permitir una estructuración eficiente para resistir las
acciones que puedan afectar a la edificación, con particular atención a las acciones
sísmicas. Adicionalmente, se tendrá especial cuidado en el arriostramiento de las
edificaciones livianas. (Norma COVENIN 2002 – 88. Criterios y acciones mínimas para
el proyecto de edificaciones).
2.3. Operacionalización de variables. 2.3.1. Definición nominal. Criterios de diseño. 2.3.2. Definición Conceptual. Es una condición que permite realizar una elección, que servirá como base para
dar forma a un sistema estructural, que cumpla una función determinada con un grado
de seguridad razonable y que en condiciones normales de servicio tenga un
comportamiento adecuado.
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2.3.3. Definición Operacional. Es una condición que permite realizar una elección, que servirá como base para
dar forma a muros y losas macizas, donde las solicitaciones que produzcan las
cargas a las que van a estar sometidas, sean soportadas de forma segura y económica.
CUADRO DE OPERACIONALIZACIÓN.
Objetivo general: Determinar los criterios para el diseño de losas y muros macizos de
concreto para blindaje biológico del acelerador lineal Precise.
Tabla 10. Cuadro de Operacionalización.
Objetivos Variables Dimensión Indicador
Establecer los factores que inciden en el diseño de losas y muros macizos de concreto armado para blindaje biológico (Rayos X).
Criterios de diseño para las estructuras de blindaje biológico.
Establecer los factores que inciden en el diseño.
Normas COVENIN para radiación. Antecedentes, fuentes bibliográficas.
Evaluar los factores en el diseño de losas y muros macizos de concreto armado para blindaje biológico (Rayos X)
Criterios de diseño para las estructuras de blindaje biológico.
Evaluar los factores para el diseño.
Antecedentes, fuentes bibliográficas. Normas COVENIN. Análisis y diseño estructural para losas y muros.
Diseñar una sala con losas y muros macizos de concreto armado para blindaje biológico mediante el uso de una herramienta informática.
Criterios de diseño para las estructuras de blindaje biológico.
Diseño de losas y muros macizos.
Fundación. Cargas actuantes. Combinación de cargas. Diseño en concreto armado.
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CAPITULO III.
MARCO METODOLÓGICO.
El marco metodológico constituye la descripción de las variables en análisis, las
técnicas de observación, los procedimientos, planes, estrategias concebidas y las
técnicas de recolección de datos en forma sistemática sobre el tema estudiado. De esta
manera, se llevó a cabo un trabajo preciso para tener un mejor basamento de la
realidad que se investigó.
3.1. Tipo de Investigación.
El tipo de investigación en este trabajo especial de grado, corresponde a un
proyecto basado en un estudio descriptivo, puesto que se estudiaron y recopilaron
cuales son los parámetros necesarios para el diseño de losas y muros de concreto
armado, tomando en cuenta la influencia de una fuente radioactiva sobre estos
elementos.
Este estudio descriptivo está dirigido para aumentar el grado de familiaridad con
fenómenos relativamente desconocidos como son los muros y las losas macizas de
concreto armado para blindaje biológico.
Este trabajo permitió la obtención de nuevos datos y elementos que puedan
conducir a investigaciones posteriores relacionadas con el tema, sirviendo de guía
práctica y apoyo para determinar los criterios para el diseño de muros y losas macizas
de concreto armado para blindaje biológico.
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3.2. Diseño de Investigación. El plan o la estrategia concebida para responder a los objetivos planteados, fue no
experimental transeccional causal. La presente investigación se centró en la
determinación de los criterios para el diseño de muros y losas macizas de concreto
armado para blindaje biológico (Rayos X), por lo tanto, no se podrá manipularon las
variables, se observaron las situaciones ya existentes, describiendo las relaciones entre
dos o más variables y sin influir sobre ellas.
3.3. Población y Muestra.
3.3.1. Población.
El conjunto de unidades o elementos claramente definidos para la cual se busco
información, en este trabajo de investigación son los muros y losas macizas de concreto
armado para blindaje biológico y son definidos como la población.
3.3.2. Muestra.
En la investigación la muestra es no probabilística, ya que, la elección de los
elementos a estudiar no depende de la probabilidad sino de las características de la
investigación (Hernández, Fernández, Baptista, 2006).
La muestra fue seleccionada de forma intencional, debido a que en el Centro
Médico Paraíso, una institución médica ubicada en la ciudad de Maracaibo estado
Zulia, donde se desarrollo el estudio, se construye un recinto para blindaje biológico. Se
tuvo acceso a la información y seguimiento al proceso constructivo.
Por lo antes expuesto, se estableció el siguiente criterio para ejecutar el proyecto
de investigación: losas y muros macizos de concreto armado para blindaje biológico del
Acelerador Lineal Digital ELEKTA Precise (Rayos X).
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3.4. Técnicas de Recolección de Información.
Los recursos utilizados para facilitar la recolección, el análisis de los hechos y
obtener la información necesaria para el logro de los objetivos propuestos fueron los
siguientes:
a) Observación Directa:
Se realizo la observación, registro fotográfico y de los procesos constructivos de
una estructura para blindaje biológico, en el Centro Médico Paraíso, antes mencionado,
institución destinada a ofrecer servicio médico quirúrgico y asistencial. La sala de
radioterapia está destinada a instalar un acelerador lineal. Esta construcción sirvió de
apoyo para la comprensión y desarrollo de este proyecto.
b) Observación Documental:
Se estudiaron fuentes primarias, que son aquellas que contienen información no
abreviada y en su forma original. Son todos los conocimientos científicos o hechos e
ideas estudiados bajos nuevo aspecto (Bavaresco, 1979). Dentro de las fuentes
primarias, se estudiarán las siguientes:
Normas COVENIN 1753–2005. ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO
PARA EDIFICACIONES ANALISIS Y DISEÑO.
Normas COVENIN 2002 – 88. CRITERIOS Y ACCIONES MINIMAS PARA EL
PROYECTO DE EDIFICACIONES.
Normas COVENIN Edificaciones Sismoresistentes 1756 - 2001
Normas COVENIN de Seguridad Radiológica.
Manual del Acelerador Lineal Digital ELEKTA Precise, soporte técnico.
Manual del programa STAAD.Pro.
Textos en bibliotecas; sobre el diseño de estructuras de concreto armado,
Protección radiológica y Radiaciones Ionizantes.
Paginas de bibliotecas vía internet.
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c) Observación Indirecta:
Se realizó la revisión de estudios, artículos, cálculos y diseño, previamente
ejecutados por otras personas y especialistas relacionados con estructuras para
blindaje biológico. Se utilizó información obtenida por testimonios orales de
especialistas en el tema. El arquitecto Heberto Ríos, quien desarrolla el proyecto
constructivo en el Centro Médico Paraíso y el arquitecto Giannina Pirronello,
representante de la empresa ELEKTA, encargada de suministrar la información y
especificaciones mínimas del equipo y de la inspección en el cumplimiento normativo
de la construcción de la sala para blindaje biológico en el Centro Médico Paraíso.
3.5. Fases de la investigación.
3.5.1. Fase I.
Objetivo n° 1: Establecer los factores que inciden en el diseño de losas y
muros macizos de concreto armado para blindaje biológico (Rayos X).
Para el desarrollo del objetivo n° 1, se hizo necesario el cumplimiento de las
siguientes actividades:
Se estudió e indagó en las diversas fuentes bibliográficas, los factores que inciden
en el diseño del blindaje biológico.
Se especificó el tipo de radiación que genera la fuente y su propagación en el
espacio.
Se determinó la energía y flujo de la fuente generadora de radiación.
Se señalaron las dimensiones y forma de las fuentes.
Por último, se estudió e indagó las normativas de seguridad radiológica que rigen
en el país.
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3.5.2. Fase II.
Objetivo n° 2: Evaluar los factores que inciden en el diseño de losas y muros
macizos de concreto armado para blindaje biológico (Rayos X).
Para llevar a cabo este objetivo, se efectuaron las siguientes actividades:
Se evaluaron los factores establecidos en el objetivo numero 1.
Se especificaron las dimensiones y espesores de las losas y muros macizos de
concreto armado que comprenden la zona blindada.
Se determinaron las especificaciones mínimas del concreto armado.
3.5.3. Fase III.
Objetivo n° 3: Diseñar una sala con losas y muros macizos de concreto
armado para blindaje biológico (Rayos X) mediante el uso de una herramienta
informática.
Se seleccionó la fundación.
Se adoptaron las propiedades del suelo.
Se determinaron las cargas actuantes a las que estarán sometidas las losas y
muros.
Se aplicaron las solicitaciones o combinaciones señaladas por la norma
COVENIN.
Se diseñó una sala para blindaje biológico con losas y muros macizos de concreto
armado con el programa STAAD.ProV8i, aplicando todos los puntos anteriores.
3.6. Procedimiento Metodológico.
3.6.1. Establecer los factores que inciden en el diseño de losas y muros
macizos de concreto armado para blindaje biológico (Rayos X).
En el trabajo de investigación Sala de Hemodinámica de David Molero y otros,
se señalo que el diseño de una sala de instalación radiológica básica, cuya superficie
debe estar adecuada a las especificaciones de cada modelo radiológico, debe permitir
la movilidad alrededor del área de trabajo, debe estar sometida en todo momento a
DERECHOS RESERVADOS
criterios de seguridad, garantía de calidad y protección radiológica establecida por la
legislación vigente, con el fin de reducir la radiación recibida, tanto por el paciente,
como el personal operador de la instalación así como por el público en general y para
ello se pueden realizar una serie de acciones, entre ellas: Diseñar correctamente las
salas, su distribución y colocación de los equipos, zonas a proteger y blindajes. En una
sala de radioterapia se hace necesario el blindaje para paredes, techos, suelos, puertas
y ventanas.
Del trabajo de investigación, Las Radiaciones ionizantes y su aplicación en la
agricultura de Celerino Quezada en la Universidad de Concepción, el blindaje
consiste en interponer entre la fuente radioactiva y el operador, un espesor suficiente de
algún material absorbente de la radiación, en donde al atravesar la materia, la radiación
sufre una disminución en su intensidad.
Según la Revista Electrónica, Radiobiología de Oswaldo Ramos y Manuel
Villareal de la edición 174 – 177 del año 2007, la atenuación que sufre la radiación
dependerá fundamentalmente de los siguientes factores: su naturaleza o tipo de
radiación, de su propia energía e intensidad y las dimensiones y forma de la fuente.
Por lo tanto, para la realización de los objetivos del presente proyecto, se hizo
necesario determinar estos factores y siendo la muestra, el Acelerador Lineal Digital
ELEKTA Precise, se tomo como soporte técnico, el manual de dicha fuente generadora
de radiación.
3.6.1.1. Tipo de Radiación.
Los requisitos de blindaje para la habitación de tratamiento están determinados
por el tipo de radiación que es la energía de rayos X que genera la fuente. Los riesgos
derivados de las radiaciones e implicación del blindaje, serán los siguientes:
Primaria de los rayos X (Primary Radiation).
Las fugas de rayos X (Leakage Radiation).
Dispersa de rayos X (Neutron Radiation).
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Figura 15.Tipos de radiación.
3.6.1.2. Energía y flujo.
La energía e intensidad de la radiación, será determinada por la fuente, en este
caso, el acelerador Lineal Digital ELEKTA Precise, un equipo compacto de uso médico
para tratamientos de radioterapia con fotones de energía de 6MV a 15MV y electrones
con energías de 4MeV a 18MeV.
La energía e intensidad de la radiación, determinaran las dimensiones de los
muros y losas macizas de concreto armado.
DERECHOS RESERVADOS
Para el diseño de una sala de tratamiento típica se establecen las siguientes
dimensiones en las figuras 16, 17 y 18 de acuerdo a los niveles de emisión del equipo:
Figura 16. Sala de tratamiento tipica en planta.
Figura 17. Sección A-A.
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Figura 18. Sección B-B.
La tabla 11, fue extraída del manual del acelerador lineal, define las dimensiones
anteriormente mostradas.
Tabla 11. Dimensiones de los espesores según la cantidad de energía
emitida.
Dimensión 4 MV 6 MV 8 MV 10 MV 15 MV 18 MV 20 MV 25 MV
A 1950 2000 2000 2050 2100 2100 2100 2150 B 500 500 500 500 500 500 500 500 C 900 980 1045 1100 1170 1210 1235 1285 D 3880 3980 4040 4110 4215 4265 4295 4360 E 1800 1800 1800 1800 1800 1800 1800 1800 F 500 500 500 500 500 500 500 500 G 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 H 500 500 500 500 500 500 500 500 I 375 375 375 375 375 375 375 375 J 500 500 500 500 500 500 500 600 K 1950 1950 1950 1950 1950 1950 1950 1950 L 1080 1180 1240 1310 1415 1465 1495 1560 M 3000 3000 3000 3000 3000 3000 3000 3000 N 3300 3300 3300 3300 3300 3300 3300 3300 O 1060 1160 1220 1290 1395 1440 1475 1535 P 1080 1180 1240 1310 1415 1465 1495 1560 Q 1735 1890 2000 2110 2285 2370 2415 2465 R 3000 3000 3000 3000 3000 3000 3000 3000 S 1735 1890 2000 2110 2285 2370 2415 2465 T 1080 1180 1240 1310 1415 1465 1495 1560 U 235 235 235 235 235 235 235 235 V 1240 1240 1240 1240 1240 1240 1240 1240 W 3200 3200 3200 3200 3200 3200 3200 3200 X 1825 1930 2035 2145 2330 2404 2405 2565 Y 1130 1230 1300 1365 1480 1530 1525 1620 Z 2350 2350 2400 2400 2500 2500 2550 2550
DERECHOS RESERVADOS
Es importante resaltar que las dimensiones han sido establecidas por el fabricante
y distribuidor del Acelerador Lineal Digital ELEKTA Precise, luego de trabajos y estudios
previos realizados por especialistas en el cálculo de blindajes biológicos. También es
necesario acotar que el recinto es subterráneo y estas dimensiones son para concreto
armado, más adelante se explica con detalle las especificaciones mínimas que debe
presentar el material.
3.6.1.3. Dimensiones y formas de la fuente.
La fuente está dividida en dos partes: la unidad de tratamiento y sala del operador.
La unidad de tratamiento es una la sala blindada y de acceso controlado. El área de los
elementos de control del acelerador y sus componentes auxiliares se ubican en la sala
del operador.
En la siguiente figura se muestra esquemáticamente, la composición del
conjunto, indicando la ubicación física de cada elemento.
6A
1 y 3
2
4 5
7
8 y 9
10
10
Sala de TratamientoÁrea Técnica
Sala de Control
11
6B
ISOCENTRO
Figura 19. Vista en planta del Acelerador Lineal Precise con mesa de tratamientos.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 20. Vista en alzado del Acelerador Lineal Precise con mesa de
tratamientos.
En la tabla 12, se relacionan los elementos que integran el conjunto, indicando
dimensiones y peso de los mismos, una vez instalados.
Mesa de
Paciente
Cabeza de Radiación
Panel Frontal
Monitor del panel
Brazo del AceleradorCabina de
distribución
Tambor del
Gantry
Monitor
Panel Base del
Gantry
Pilar soporte de
cables
Botella
SF6
Botella
SF6
DERECHOS RESERVADOS
Tabla 12. Relación de los elementos indicando dimensiones y pesos de los
mismos.
REF. ELEMENTO PESO Kg
DIMENSIONES(mm)
ancho x fondo x alto
1 Conjunto
Acelerador Precise
6200 2200x3543x2480
2 Monitores de TV (en el panel) 2x35 380x380x380
3 Pilar soporte de cables 164 300x300x1400
4 Cabina de distribución (interface)
190 560x440x1880
5 Mesa de
Tratamiento Precise
1250 Variable
6ª Cámaras de TV-B/N 2x1,5 Variable
6B Monitores de TV-B/N 2x15 300x300x300
7 Ordenador de
Control 28 250x450x500
8 Monitor de Control del Paciente 20 370x385x400
9 Terminal de Control del
Sistema 20 410x200x50
10 Posicionadores Láser 2 120x80x200
11 Panel divisor de salas 100 3900x20x2480
En las siguientes figuras, se expresan las dimensiones de la fuente, siendo estas
muy importantes para tomar en cuenta al momento del diseño de la sala de
radioterapia.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 21. Dimensiones del acelerador, expresadas en mm.
Figura 22. Dimensiones expresadas en mm.
3.6.1.4. Normas de Seguridad Radiológica.
Ya conocidos y especificados los factores para el diseño, se revisaron las normas
que rigen este tipo de blindaje actualmente en Venezuela.
DERECHOS RESERVADOS
El diseño y construcción de una sala de radioterapia debe cumplir con las
siguientes normas:
Norma COVENIN 3299:1997. Programa de protección radiológica. Requisitos.
Entre los requisitos que debe cumplir el programa de protección radiológica, se
debe cumplir las siguientes disposiciones generales:
Los blindajes que contengan fuentes radiactivas deben cumplir con lo establecido
en la norma venezolana COVENIN 3190.
Todos los blindajes que contengan fuentes radiactivas, deben estar almacenadas
en un lugar especialmente diseñado y dedicado para tal fin, el cual debe cumplir
con lo establecido en la normativa legal vigente.
Norma COVENIN 3190:1995. Blindajes para contenedores de fuentes
radioactivas. Requisitos mínimos.
Esta norma Venezolana establece las características que deben poseer los
blindajes para contenedores de fuentes radioactivas tanto sellados como abiertos.
Norma COVENIN 218-2:2002. Protección contra las radiaciones ionizantes
provenientes de las fuentes externas usadas en medicina. Parte 2: radioterapia.
Esta norma establece los requisitos mínimos necesarios para la protección del
personal ocupacionalmente expuesto (POE), pacientes y publico que deben
considerarse durante cualquier práctica de radioterapia.
Entre los requisitos generales se tiene el siguiente:
Toda sala de radioterapia debe estar señalizada y clasificada según lo establecido
en la Norma Venezolana COVENIN 2257 vigente.
DERECHOS RESERVADOS
Entre los requisitos de diseño de instalaciones se tienen los siguientes:
El diseño de la instalación debe basarse en el principio de defensa en profundidad,
con múltiples barreras físicas que provean un nivel de protección radiológica y
seguridad en correspondencia con la magnitud y probabilidad de las exposiciones
potenciales correspondientes a las fuentes de radioterapia.
Después de la construcción de un recinto de radioterapia, se deben hacer
mediciones del nivel de radiación en las zonas adyacentes con la máxima irradiación
del equipo, con el objeto de verificar los parámetros de diseño y comprobar que la
seguridad de las personas en estas zonas cumple con las condiciones para las cuales
fue diseñada.
Para el cálculo de blindajes de las instalaciones de radioterapia, debe ser
realizado por personal calificado.
Las salas de tratamiento para aceleradores lineales de alta energía (potencial de
aceleración > 10 MeV de fotones) deben diseñarse teniendo en cuenta la posible
producción de neutrones.
Una vez fijados los criterios de seguridad radiológica y con las limitaciones y
compromisos derivados, las dimensiones de la sala de tratamiento responderán a las
necesidades de trabajo, comodidad de los pacientes y requerimientos mínimos de
trabajo o movimientos de los equipos.
3.6.2. Evaluar los factores que inciden en el diseño de losas y muros
macizos de concreto armado para blindaje biológico (Rayos X).
Ya establecidos los factores que inciden en el diseño de muros y losas macizas
destinados a blindaje biológico: tipo de radiación, energía e intensidad y las
dimensiones y forma de la fuente, se evaluaron los efectos de cada uno de ellos en el
diseño estructural.
DERECHOS RESERVADOS
3.6.2.1. Tipo de radiación, energía e intensidad y dimensiones y forma de la
fuente.
El tipo de radiación establece una forma particular de la sala de radioterapia, por lo
que se debe respetar la forma que se exige para cumplir con su seguro funcionamiento.
El proyectista deberá asesorarse con la empresa encargada de suministrar el
equipo para cualquier cambio mínimo que desee realizar en la forma y distribución de la
sala, ya que, de esto dependerá fundamentalmente de la manera en que se dispersa la
radiación.
La energía e intensidad influye en el espesor que debe poseer el material
responsable de atenuar la radiación. Por lo que se debe diseñar y construir, respetando
los niveles de energía e intensidad que expide la fuente para que se cumpla con los
requisitos de seguridad radiológica y el objetivo principal que debe cumplir la estructura
que es atenuar y blindar la radiación.
Las dimensiones y formas de la fuentes es otro factor que me determinara el
espacio necesario que debe tener el recinto en su interior, para que la fuente tenga un
manejo y desempeño útil. También comprende un factor especial en la estructura
porque se toma en cuenta el peso o la carga que esta transmite a esta.
3.6.2.2. Dimensiones y espesores.
Los niveles de emisión del Acelerador Lineal Digital ELEKTA Precise son de
fotones de energía de 6MV a 15MV y electrones con energías de 4MeV a 18MeV,
siendo el máximo valor de los fotones de energía el que define las dimensiones de la
sala de radioterapia.
En la tabla 13 se definen las dimensiones de la sala para blindaje biológico,
considerados para el diseño de los muros y losas macizas de concreto armado,
extraídas de la tabla 12.
DERECHOS RESERVADOS
Tabla 13. Dimensiones consideradas para la sala de radioterapia.
Dimensión Longitud (m) Dimensión Longitud (m)
A 2,500 N 4,000 B 0,500 O 1,400 C 1,200 P 1,400 D 4,200 Q 2,400 E 2,300 R 3,000 F 0,500 S 2,400 G 2,000 T 1,400 H 0,500 U 0,200 I 0,500 V 1,240 J 0,500 W 3,000 K 3,000 X 2,400 L 1,400 Y 1,400 M 4,200 Z 2,500
3.6.2.3. Especificaciones del concreto.
El concreto es un excelente material para blindaje biológico por varias razones: es
eficiente para la atenuación de radiaciones, tiene buenas propiedades mecánicas y
tiene capacidad de tomar cualquier forma. Aunque no puede, en general, constituir por
si solo el blindaje, el acero servirá para reforzarlo, utilizando armaduras que lo recorren
por dentro.
El concreto ha sido utilizado en este tipo de instalaciones debido a dos
propiedades primarias, su resistencia estructural y su capacidad de blindaje contra la
radiación. Este uso ha hecho su rendimiento a largo plazo, crucial para el
funcionamiento seguro de las instalaciones.
La radiación puede afectar al concreto en dos mecanismos. Uno de ellos es el
cambio en las propiedades del material causado por las interacciones de la radiación
con la materia. Este daño puede ser la ruptura de los vínculos en el material o la
fragilidad del material. La segunda posible causa podría ser el calentamiento
localizado del concreto causado por la absorción de la energía de la radiación. En
muchos casos, no ha sido posible distinguir entre los dos mecanismos de degradación
del concreto cuando este deterioro ha sido identificado.
Los efectos de dosis bajas, en períodos de menos de 50 años no parecen tener
un efecto significativo sobre el cemento, por el contrario, los efectos de altas dosis de
DERECHOS RESERVADOS
radiación no son tan claras, para algunos concretos pueden causar la reducción en la
fuerza de compresión y tensión, y esto dependerá del espectro de energía de la
radiación y la composición del concreto.
Para una exposición de radiación alta, el concreto puede presentar una
reducción en la fuerza de compresión y tensión y un marcado aumento en el volumen,
debido a la expansión de los agregados y la contracción de la pasta de cemento. No
es posible determinar si estos efectos fueron causados por el calentamiento y la
pérdida de agua o por efectos de la radiación directa. De cualquier manera los efectos
generan un deterioro.
Los efectos de la exposición a largo plazo del hormigón a altas temperaturas
producen una pérdida de agua en el hormigón que conduce a una disminución de la
resistencia a la compresión, los cambios en el módulo de elasticidad, resistencia a la
fluencia, la conductividad y la difusividad. En términos generales, el umbral de la
degradación es de 95°C, y el aumento de la degradación es proporcional al aumento
de temperatura y tiempo de exposición.
Según el manual del Acelerador Lineal Digital ELEKTA Precise, el concreto como
material responsable de atenuar la radiación, deberá cumplir con los siguientes pliegos
de condiciones:
Densidad del concreto: 2400 kg/m3.
Resistencia a la compresión: ≥ 300 kg/cm2.
Debido a la gran masa del acelerador, el concreto debe ser
utilizado para apoyar las áreas de montaje. El concreto debe cumplir con el mínimo de
especificaciones estipuladas en la figura 23. El área alrededor de la cavidad de mesa,
(sombreado en gris oscuro en la figura), debe ser de concreto con un espesor mínimo
de 220 mm.
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Figura 23. Especificaciones mínimas que debe cumplir el concreto.
3.6.3. Diseñar una sala con losas y muros macizos de concreto armado para
blindaje biológico (Rayos X) mediante el uso de una herramienta informática.
Establecidos y evaluados los factores que inciden en el diseño y especificadas las
dimensiones y espesores que requiere la sala para atenuar la radiación con el concreto
armado, se procedió al diseño de los muros y las losas macizas de concreto armado
que conforman la estructura para el blindaje biológico. Se determino las cargas que
actúan sobre ella, el diseño del concreto, la fundación, las combinaciones de cargas,
para luego obtener finalmente el acero requerido.
El diseño fue realizado a través del programa informático para calculo de
estructuras STAAD.pro V8i, es un software estructural basado en la teoría de los
elementos finitos, es completo y abarca todos los aspectos de la ingeniería estructural,
desarrollo de modelos, análisis, diseño, visualización y verificación.
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Al ejecutar el programa STAAD.Pro V8i, aparece la primera ventana de dialogo,
como se muestra en la figura 24, en donde se selecciono:
El tipo de estructura: SPACE, ya que el modelo es del tipo espacial.
El nombre del archivo, TESIS DE GRADO – ING CIVIL.
Las unidades que se utilizaron. Unidad de longitud: metro (meter) y unidades de
fuerza: kilogramos (kilogramo).
Figura 24. Ventana de dialogo NEW, STAAD.ProV8i.
Seleccionado el tipo de estructura y las unidades, el programa genera la segunda
ventana de dialogo como se muestra en la figura 25. En este se despliega las diferentes
opciones de cómo realizar el modelo, para este proyecto se utilizo Add Solid.
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Figura 25. Ventana de dialogo, STAAD.ProV8i.
Para realizar la geometría de la estructura, se le asigno las coordenadas a los
nodos en un sistema cartesiano en el espacio, determinados por las dimensiones de la
sala. Estos nodos fueron generados a distancias equidistantes para luego formar los
Plates, dando como resultado la idealización que se muestra en la figura 26.
Figura 26. Geometry - Plates, STAAD.ProV8i.
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Las propiedades de la estructura fueron generadas en el programa con GENERAL
- PROPERTY. Se seleccionaron y agruparon los muros y losas que poseen igual
espesor y definiéndolos con el comando THICKNEES. Se señaló los diferentes
espesores y el material CONCRETE que conforman la estructura para blindaje biológico
como se muestra en las figuras 27.a y 27.b. Los espesores asignados son:
Losa fundación: 0.60 m.
Muros: 0.50, 1.20, 1.40 y 2.40 m.
Losa de techo: 1.40 y 2.40 m.
Figura 27.a, Properties.
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Figura 27.b, Plates Element Thickness.
Figuras 27. General - Property, STAAD.ProV8i.
3.6.3.1. Fundación.
En el proyecto se recurrió al uso de una losa de fundación, por las ventajas de que
ofrecen una mayor rigidez y un mayor comportamiento estructural, especialmente en
este caso que sirve de apoyo a los muros.
Se planteó una losa de fundación bajo el concepto de bases rígidas donde la
distribución en el suelo de fundación de las reacciones resulta uniforme o lineal, con
una base comprimida. Según las exigencias de una sala de radioterapia esta deben ser
subterráneas, por lo que la losa se ubicó a una profundidad de 4,4m.
Para su diseño se estimaron los valores necesarios para un terreno con buenas
propiedades, grava con arena compactada, teniendo así, una capacidad admisible de 6
kg/cm2 con un coeficiente de balasto de 10 Kg/cm3, tomando en cuenta también el
peso propio del suelo de 1900kg/cm3. Estos valores están ubicados en las tablas 14 y
15 como se muestra a continuación.
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Tabla 14. Peso especifico γ, y capacidad portante del suelo
Tabla 15. Ángulo de fricción interna ϕ y φ de fricción entresuelo y muros ó
pilotes.
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Tabla 16. Coeficiente de Balasto según tipo de suelo.
El espesor de la placa debe ser tal, que el concreto solo resista los refuerzos
tangenciales, sin la colaboración de acero de refuerzo por corte. Esta losa será maciza
y su espesor en primera instancia se considero, ante un predimensionado de los muros
de contención, tomando para el espesor de la losa, el espesor estimado para el pie del
muro, según la siguiente formulación:
Figura 28. Predimensionado de Muro de Contención.
DERECHOS RESERVADOS
.
Es importante resaltar que según el manual del Acelerador Lineal Digital
ELECKTA Precise, es necesario colocar un recubrimiento de 22cm en la cara superior
de la losa y considerando el recubrimiento de 7,5cm para fundaciones según las
normas venezolanas, se asumió una losa fundación con espesor estimado de 60cm.
Para respaldar este argumento, se hicieron los chequeos y comprobaciones
necesarias para una losa de fundación rígida, sabiendo que sobre esta losa se apoyan
los muros estructurales, se tomo como referencia los chequeos para un depósito
subterráneo del libro Fundaciones, Suelos y Muros de Fratelli. Entre ellos tenemos, el
chequeo por corte, flexión y punzonado.
Verificación por corte:
De acuerdo con las graficas de Corte en X, obtenidas con el diseño del
STAAD.Pro V8i, se tomo el resultado del corte máximo (Vmax) y se ubicó el muro
donde se produce el mismo.
Vmax = 8.8kg/cm2
Chequeo:
=
8,8kg/ . Cumple.
Verificación por flexión:
Para el chequeo por flexión se tomo el momento máximo de las graficas obtenidas
del STAAD.Pro V8i. Mmax = 35900kg.m
El D necesario es:
DERECHOS RESERVADOS
D= 18,58 cm.
Sabiendo que el D calculado anteriormente es de 35cm, sin contar el
recubrimiento, entonces si cumple. 18,58cm 35cm.
Verificación a Punzonado:
=
8,8kg/ . Cumple.
Una vez confirmado los chequeos correspondientes, tenemos que la placa de
fundación contando el recubrimiento correspondiente, tiene un espesor de 60cm.
En el programa STAAD.Pro V8i, se genero la losa fundación con el comando
SUPPORTS, especificándola como FOUNDATION y asignando cada tipo de soporte
ELASTIC MAT, en los nodos que conforman los Plates de la losa. Se selecciono la
dirección en Y y en este caso se asigno el coeficiente de balasto antes determinado en
la casilla de Modulus, como se muestra en la figura 29.
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Figura 29. Supports, Foundation.
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3.6.3.2. Cargas actuantes.
Los muros y las losas macizas de concreto armado que conforman la sala para
blindaje biológico, estarán sometidas a las siguientes cargas o solicitaciones:
1. Carga Permanente (CP).
Es la que actúa continuamente sobre la edificación y cuya magnitud no varía con
el tiempo, es la carga debido al peso propio de los componentes estructurales y no
estructurales, estos últimos no tomados en cuenta para el diseño. En el programa
STAAD.ProV8i, esta carga fue generada por el comando SELFWEIGHT, carga debida
al peso propio.
El peso propio de cada miembro activo, fue calculado y las cargas fueron
aplicadas en la dirección absoluta negativa Y con un factor unitario, como se ilustra en
la figura 30. La densidad del concreto se indica para el cálculo del peso de la estructura.
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Figura 30. Selfweight Load.
2. Carga Variable (CV).
Son aquellas que actúan sobre la edificación con una magnitud variable en el
tiempo y que se deben a su ocupación y uso habitual, dependiendo de ello, se asigno
los siguientes valores:
La losa de techo de la sala blindada, que está a nivel de terreno o cota cero, se le
asigno el uso de estacionamiento para edificaciones institucionales como se muestra en
la figura 31, cuya mínima carga distribuida variable es de 250 kg/m2.
Figura 31. Carga variable losa de techo en azul, 250 kg/m2.
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Para la losa de piso se asigno una carga mínima distribuida de 250 kg/m2 como se
muestra en la figura 32. El uso es de una edificación institucional, medico asistencial y
es un área privada.
Figura 32. Carga variable losa de piso en azul, 250 kg/m2.
Estos valores fueron extraídos de la Norma Venezolana, Criterios y acciones
mínimas para el proyecto de edificaciones 2002 – 88.
El conjunto del acelerador lineal, genera una carga puntual de 6200 kg sobre un
área específica de la sala blindada, como se detallo en el desarrollo del objetivo # 1 en
la tabla 8. La definición de las cargas en el programa STAAD.Pro V8i, se aplico esta
carga como una carga distribuida en un área determinada, evitando que la carga
puntual sea absorbida por un solo apoyo de la fundación. Los plates generados en la
geometría tienen un área de 0,40x0,40 m, la carga se distribuyo sobre cuatro plates,
generando un área de 0,64 m2. Siendo la carga de 6200 kg dividiéndola en esa área,
genero una carga distribuida de 6688kg/m2, siendo esta la aplicada como se muestra en
la figura 33.
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Figura 33. Carga del Acelerador Lineal.
El comando usado para definir estas cargas fue PLATE LOADS, seguido de la
opción PRESSURE especificando una presión uniforme. Siendo definida sobre los
elementos, como la losa de fundación o piso, losa de techo y sobre el área específica
para el peso generado por el Acelerador Lineal Digital ELEKTA Precise. La carga se
definió en la dirección global GY negativamente como se muestra en la figura 34.
Figura 34. Aplicación de la carga del Acelerador lineal.
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3. Empuje de Tierra (CE).
La estructura para blindaje biológico al ser subterránea, los muros están
sometidos a empuje de tierras.
Para aplicar la carga de empuje de tierras, se hizo necesario tomar las
consideraciones y propiedades que presenta el suelo que va a contener los muros.
También se tomo en cuenta la carga variable de 250 kg/m2 asumida en la parte superior
del terreno adyacente, que comprende principalmente el uso de estacionamiento,
siendo esta una sobrecarga para el diseño de los muros.
Existen dos teorías muy conocidas para los cálculos de presión activa y pasiva del
terreno; la teoría de Coulomb y la teoría de Rankine. Aquí se utiliza la teoría de
Rankine, que solo es válida solo para suelos no cohesivos como arenas y gravas. La
presión de tierra a determinada profundidad depende de la inclinación o del ángulo de
la superficie a contener, que en este caso es β = 0 cero, el peso unitario del suelo y el
ángulo de fricción interna, ya antes determinados.
El empuje de tierra estudiado, tiene una condición usual de carga, un relleno con
superficie horizontal que soporta una carga adicional uniformemente distribuida, por lo
que para determinar el empuje, fue necesario aplicar las siguientes formulas:
Siendo, , solo aplicable para empuje activo.
DERECHOS RESERVADOS
El valor de la base del trapecio que forma el empuje de tierras y la sobrecarga,
viene dado por la siguiente expresión: Cah.w.(h + h’).
Resolviendo, se obtuvo una fuerza distribuida en la base del trapecio de
2870kg/m2 y haciendo una relación de triángulos se obtuvo la fuerza en la cota cero del
terreno de 83 kg/m2.
Se determinaron las cargas que actúan a diferentes alturas determinadas por las
dimensiones de los Plates que conforman el muro. Se generaron las cargas con PLATE
LOADS y seleccionando la carga TRAPEZOIDAL, como se muestra en la figura. Se
asigna la carga que se ejerce en la base mayor y menor del trapecio, seguido por el
sentido que tiene la carga.
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Figura 35. Aplicación del empuje de tierras.
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4. Empuje Dinámico del Empuje de Reposo (ED). El suelo está en la condición de reposo, por lo cual los efectos sísmicos
incrementan la presión de reposo sobre la estructura.
El incremento dinámico del empuje de reposo ED, se aplico a 0,60 H desde la
base del muro y se determino con la expresión:
Siendo ɣ el peso especifico del suelo 1900 kg/m3, H la altura del muro y la
aceleración del suelo según el mapa de zonificación sísmica. Se consideró Maracaibo
tomada como zona sísmica 3 (S3), teniendo un riesgo intermedio lo que indica según
las Normas COVENIN de Estructuras Sismoresistentes un .
El empuje dinámico se aplicó en el diseño realizado en el STAAD.Pro V8i, con la
opción PLATE LOADS – PARTIAL PLATE PRESSURE LOAD. Se colocaron los valores
medios del área que conforma un plate en la geometría idealizada. Se asignó el valor
de la carga antes calculada y el sentido que aplica, como se muestra en la figura 36.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 36. Aplicación del empuje dinámico.
3.6.3.3. Combinación de cargas.
En el diseño se considero las solicitaciones para la aplicación del Método de los
Estados Límites, tanto de servicio como de agotamiento resistente, señalados en la
norma COVENIN 1753 – 2005 en su capítulo 9, Requisitos para los Estados Limites.
Las combinaciones aplicadas del método de los Estados Limites, satisfacen todos
los requisitos de la Norma, asegurando el comportamiento adecuado en dichos
estados. La estructura, se diseñó para tener en todas las secciones una resistencia de
diseño mayor o igual a las solicitaciones calculadas para las combinaciones.
Las solicitaciones para el estado limite de agotamiento resistente (U), se aplicaron
con base en las hipótesis de las solicitaciones que producen el efecto más
desfavorable, el cual puede ocurrir cuando una o más solicitaciones están actuando
simultáneamente. Se tomaron en cuenta todas las combinaciones posibles y cambiando
los signos de manera consistente.
Las solicitaciones para el estado límite de agotamiento resistente aplicadas en el
diseño son:
1. U = 1.4 CP
2. U = 1.2 CP + 1.6 ( CV + CE )
3. U = 1.2 CP + CV
DERECHOS RESERVADOS
4. U = 0.9 CP
5. U = 0.9 CP + 1.6 CE
6. U = 0.9 CP – 1.6 CE
Además de cumplir con el estado límite de agotamiento resistente, la estructura
debe cumplir con un estado límite de servicio. Se proyecto para que tenga la rigidez
adecuada, limitar las flechas, deformaciones, vibraciones y fisuración que pueden
afectar desfavorablemente la resistencia, el comportamiento en condiciones de servicio
y la durabilidad para el uso previsto de la construcción.
Las solicitaciones aplicadas en el diseño para el estado límite de servicio son las
siguientes:
1. U = CP
2. U = CV
3. U = CP + CV + CE
4. U = 0.9CP + CE
5. U = 0.9CP – CE
En el programa STAAD.Pro V8i, las solicitaciones se generaron con el comando
LOAD COMBINATION. Se escogieron y asignaron las cargas a combinar,
seguidamente por el factor, como se muestra en la figura 37.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 37. Definición de las combinaciones de cargas.
De la norma Venezolana, Edificaciones Sismorresistentes, se considero la
superposición de efectos en los muros de las estructura. Calculado el empuje dinámico,
considerado el comportamiento entre el muro y el material sostenido, se considero los
casos de carga con los métodos de análisis que utilizan el equilibrio de fuerzas, las
combinaciones aplicadas son las siguientes:
1. Q = 1.1 CP + CV + ED
2. Q = 0.9 CP + ED
Estas solicitaciones fueron generadas en el STAAD.Pro V8i, al igual que las
combinaciones anteriores. Como se muestra en la figura 38.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 38. Combinaciones realizadas en el STAAD Pro V8i.
3.6.3.4. Diseño en concreto armado.
Una vez asignadas las cargas, la pestana principal del programa STAAD.Pro V8i,
despliega la opción MATERIAL como se muestra en la figura 39. Consiste en definir el
material principal con el que se proyecta y diseña la estructura y así a su vez aplica las
propiedades principales de este material. Las propiedades aplicadas son las siguientes:
Modulo de elasticidad: E 2.21467e+009, para los miembros debe ser
especificado, ya que de lo contrario, el análisis no será llevado a cabo.
Modulo de POISSON: 0.17, es utilizado para calcular el módulo de corte.
DENSITY 2402.62, Define el peso específico.
Coeficiente de dilatación térmica: ALPHA 1e-005, es usado para calcular la
expansión de los miembros cuando cargas debidas a temperatura son tomadas
en consideración.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 39. Aplicación del tipo de material para la estructura.
En el diseño de la estructura en el programa STAAD.Pro V8i, antes de realizar el
diseño en concreto armado, se realiza el análisis de la estructura. Con el comando
ANALYSIS, se selecciona el análisis elástico lineal PERFORM ANALYSIS y luego
STATICKS CHECK, análisis estático, proporcionando un resumen de las cargas
aplicadas y las reacciones en los apoyos, así como también, un resumen de los
momentos de las cargas y reacciones tomadas alrededor del origen. Este comando,
ordena al programa la ejecución del análisis, el cual incluye: revisar que toda la
información pertinente haya sido proporcionada para el análisis, generar la matriz de
rigidez de los nodos, revisar la estabilidad de la estructura, resolver ecuaciones
simultáneas y calcular las fuerzas en los miembros y desplazamientos.
Una vez asignadas las propiedades de los plates, definidas las solicitaciones a
las cuales estará sometida la estructura que forman las losas y los muros en el
programa STAAD.Pro V8i, se realizo el diseño en concreto armado. Para ello se utilizo
el comando CONCRETE DESIGN, como se muestra en la figura 40.
DERECHOS RESERVADOS
El diseño consiste en seleccionar los parámetros que son necesarios para la
estructura modelada y estipulados, previa selección se toma el código de diseño a
aplicar, de acuerdo a la norma COVENIN se toma ACI, norma la cual se basa
principalmente el diseño en el programa STAAD.Pro V8i. Los parámetros seleccionados
y definidos fueron los siguientes:
FYMAIN, es el esfuerzo de fluencia del acero de refuerzo principal y definido como
4200 kg/m2.
FC, esfuerzo máximo a la compresión del concreto 300 kg/m2.
CLT, recubrimiento para refuerzo superior 5 cm y 20 cm para los muros y losas
que lo requieren.
CLB, recubrimiento para refuerzo inferior 5 cm y 7,5 cm para las losas y muros
que lo requieren.
Figura 40. Especificaciones del concreto.
Luego de seleccionados y definidos los parámetros de diseño para el concreto
armado, se selecciono cada grupo de elementos que conforman la estructura con la
opción DESIGN SLAB/ ELEMENT. Finalmente se ejecuta el análisis y el diseño a través
de la opción ANALYZE – RUN ANALYSIS.
DERECHOS RESERVADOS
CAPITULO IV
ANALISIS E INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS. CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES.
4.1. Análisis e Interpretación de los Resultados. El diseño de una sala de instalación radiológica básica debe estar adecuada a las
especificaciones de cada modelo radiológico, debe permitir la movilidad alrededor del
área de trabajo y debe estar sometida en todo momento a criterios de seguridad,
garantía de calidad y protección radiológica. Para ello se deben diseñar correctamente
las salas, su distribución y colocación de los equipos, zonas a proteger y los blindajes.
El blindaje para fuentes radioactivas se denomina blindaje biológico. Este consiste
en interponer entre la fuente radioactiva y el público en general, un material con un
espesor suficiente para que este al atravesar la materia, la radiación disminuya su
intensidad.
La atenuación que sufre la radiación dependerá fundamentalmente de los
siguientes factores: su naturaleza o tipo de radiación, energía e intensidad y las
dimensiones y formas de la fuente.
Para la realización de los objetivos, se hizo necesario determinar estos factores y
se tomó como muestra la fuente, el Acelerador Lineal Digital ELEKTA Precise.
El tipo de radiación principal, las fugas y la dispersa es de Rayos X. La energía
que expide la fuente es de fotones de 6 MV a 15 MV y electrones con energías de 4
MeV y 18 MeV. Las dimensiones y formas de la fuente fueron señaladas en el capítulo
III.
Determinados estos factores se procedió a evaluarlos. El tipo de radiación
establece una forma particular en la sala de radioterapia, esta forma esta adecuada a la
manera en que se dispersa la radiación dentro de la sala. La energía e
DERECHOS RESERVADOS
intensidad influye en el espesor que debe poseer el material responsable de atenuar la
radiación. Las dimensiones y formas de la fuentes es otro factor que determina el
espacio necesario que debe tener el recinto en su interior, para que la fuente tenga un
manejo y desempeño útil.
Determinados los factores se procedió al diseño de la sala para blindaje biológico
en el programa STAAD.ProV8i y para ello fue necesario determinar los siguientes
criterios:
La fundación para la estructura.
Las cargas actuantes.
La combinación de cargas.
Las propiedades y los parámetros de diseño en concreto armado. Realizado un análisis elástico lineal y estático para la estructura en el programa
STAAD.ProV8i, se estudió y analizó con detenimiento cada elemento, con el fin de
detectar las zonas más críticas y donde hay mayor tracción, es decir, donde se requiere
mayor acero.
Se estudiaron los momentos en X y Y más desfavorables obtenidos para cada
solicitación y combinación de carga con el comando POST – PROCESSING para
PLATES STREES CONTOUR, siendo la más desfavorable la carga permanente con un
factor de mayoración de 1.4.
4.1.1. Losa Fundación de 0.60 m.: La losa fundación en el eje X y Y, presenta un comportamiento estructural usual.
Se analizo como una losa de entrepiso, siendo el suelo una carga distribuida y los muros
los apoyos.
En los bordes de la losa y donde se encuentra apoyado el muro interno con
espesor de 1.40 m., está presente el momento máximo negativo, como se muestra en
las figuras 41 y 42, representados por los colores fríos (azul, magenta). En la zona
DERECHOS RESERVADOS
media de la losa, se presenta el momento máximo positivo de la flexión, señalado por los
colores cálidos naranja, amarillo en el eje X y en el eje Y por verde.
El mayor valor de momento negativo en estas zonas es de 47000 kg.m en el eje Y
y el de momento positivo 15000 kg.m. en el eje X, como se muestran en las figuras 41 y
42.
Figura 41. LOSA FUNDACION, Momento en X.
Figura 42. LOSA FUNDACION, Momento en Y.
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4.1.2. Losa de techo.
4.1.2.1. Losa maciza de espesor 2.40 m y 1.40m:
La losa maciza que sirve de techo para la sala blindada, presenta un
comportamiento estructural muy común. En el eje X y Y, el momento máximo negativo
se encuentran en los bordes y en el apoyo de la losa con el muro interno. Estas zonas
están representadas por los colores cálidos. El momento positivo originando flexión esta
coloreada por la escala de azules y violetas en las figuras 43 y 44. Los valores negativos
y positivos de los momentos es originado por el sentido del eje Z, mas no por el valor del
momento.
En los bordes se presenta el mayor momento de 11400 kg.m. en el eje Y, en la
zona donde la losa está apoyada al muro interno en el momento del eje X es de 15000
kg.m. y en el medio de la losa, el mayor momento es en el eje Y indicado en violeta de
53500 kg.m., como se indica en la figura 44.
Figura 43. LOSA DE TECHO, Momento en X.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 44. LOSA DE TECHO, Momento en Y.
4.1.3. Muros de espesor 2.40m y 1.40m:
Los muros de 1.40m y 2.40m de espesor se analizaron conjuntamente. Para
señalar y explicar cada muro se enumero como se ilustra en la figura 45.
Figura 45. Muros de 1.40m y de 2.40 m.
DERECHOS RESERVADOS
4.1.3.1. Muro 1.
El muro 1 posee un espesor de 1.40 m y es el muro interno a la sala. No está
sometido a empuje de tierras. Este muro en el eje X no presenta una flexión marcada
como se muestra en la figura 46. A diferencia del eje Y, este muro presenta tracción en
el borde, con un momento negativo de 21100 kg.m. y un momento positivo de 4884
kg.m.
Figura 46. MURO 1, Momento en X.
Figura 47. MURO 1, Momento en Y.
DERECHOS RESERVADOS
4.1.3.2. Muro 2.
El muro 2 posee dos espesores, 1.40 m. y 2.40 m. No está sometido a empuje de
tierra, ni a empuje dinámico. Las zonas con mayores momentos positivos están ubicadas
en la zona donde existe el espesor de 2.40 m.
En los momentos del eje X y Y, la tracción se origina en los bordes laterales como
se muestra en las figuras 48 y 49. El mayor valor de estos momentos es en el eje X de
8390 kg.m. En el eje Y como se muestra en la figura 49, la zona más critica esta en el
borde inferior con un momento positivo de 43800 kg.m.
Figura 48. MURO 2, Momento en X.
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Figura 49. MURO 2, Momento en Y.
4.1.3.3. Muro 3.
El espesor del muro 3, es de 1.40 m, está sometido a empuje de tierras y dinámico.
Si se observa la figura 50, la tracción en el eje X esta en los bordes con color verde y el
mayor momento es de 5052 kg.m. En el eje Y la mayor deflexión es en el borde inferior
del medio del muro con un momento de 43800 kg.m., figura 51.
Figura 50. MURO 3, Momento en X.
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Figura 51. MURO 3, Momento en Y.
4.1.3.4. Muro 4.
El muro 4 comprende muros de 1.40 m de espesor y 2.40 m. Está sometido a
empuje de tierras y dinámico.
En la figura 52 se muestran los momentos en el eje X del muro 4. Los momentos
que generan la mayor tracción en los bordes del muro coloreados en amarillo y la zona
del momento de mayor deflexión, es en el borde del muro de 2.40 m. con un valor de
8390 kg.m. ver figura 52.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 52. MURO 4, Momento en X.
La zona más crítica en el muro es donde el espesor es de 2.40 m. con un
momento mayor negativo que produce tracción en el borde inferior de 47000 kg.m. Ver
figura 53.
Figura 53. MURO 4, Momento en Y.
DERECHOS RESERVADOS
4.1.3.5. Muros de espesor 1.20m y 0.50m:
Este muro sometido a empuje de tierras y dinámico, presenta en la grafica de
momento en X ver figura 54, valores muy pequeños en comparación con la grafica de
momentos en el eje Y.
En el eje Y el comportamiento de momentos, genera una mayor tracción en el
borde del muro de 1.20 m de espesor como se ilustra en la figura 55. Este valor es de
21100 kg.m. El muro de 0.50 m no presenta notoriedad en este caso, con respecto al de
1.20 m.
Figura 54. MURO de 1.20m y 0.50 m, Momento en X.
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Figura 55. MURO de 1.20m y 0.50 m, Momento en Y.
4.1.4. Esfuerzo del suelo:
En la figura 56, se observa el esfuerzo máximo y mínimo que requiere el suelo para
soportar la estructura. Las zonas donde existe un esfuerzo máximo es en los bordes
laterales (izquierda) señalados en color rojo, el valor del esfuerzo es de 3.22 kg/cm2 y el
esfuerzo mínimo que se produce en el suelo es en el centro de la sala blindada, con un
valor de 0.493 kg/cm2 representada con el color violeta.
El esfuerzo admisible del suelo o la capacidad portante del suelo asumido fue de 5
a 8 kg/cm2, siendo estos valores aceptables para realizar y construir esta estructura,
asegurando que el suelo no fallara en este caso.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 56. Esfuerzo del suelo. 4.1.5. Diseño del Acero Principal.
Luego de analizada la estructura en el programa STAAD.ProV8i, se obtuvo como
resultado las siguientes áreas de acero principales, longitudinales y transversales
necesarias para los elementos, estas áreas son las siguientes:
Muros y losas macizas de 1,40 m de espesor: 25,2 cm2 x ml.
Muros y losas macizas de 2,40 m de espesor: 43,20 cm2 x ml.
Muro de 1,20 m de espesor: 21,6 cm2 x ml.
Muro de 0,50 m de espesor: 0,90 cm2 x ml.
Losa de fundación de 0,60 m de espesor: ±10,80 cm2 x ml.
Las áreas de acero para todos los elementos excepto la losa de fundación,
mantuvieron su valor, sin hacer referencia de necesitar acero en algunas zonas más que
en otras por efectos de tracción. Los resultados obtenidos constituyen acero por
retracción y temperatura, debido a los grandes espesores que estos elementos poseen.
DERECHOS RESERVADOS
Por lo tanto, no se calculó acero de refuerzo para los mismos y fueron diseñados
con los valores antes mencionados.
Se disponen armaduras longitudinales para absorber los esfuerzos de tracción
originados en los elementos sometidos a flexión o a tracción directa y reforzar las zonas
comprimidas del concreto y las armaduras transversales para absorber las tensiones de
tracción originadas por los esfuerzos tangenciales, así como para asegurar la necesaria
ligadura entre estas armaduras principales, de forma que se impida la formación de
fisuras.
4.1.5.1. Losas y muros macizos.
Para cada elemento el área de acero se dispuso en la parte interior y exterior en en
el caso de los muros. Para las losas, en la parte superior e inferior. La disposición de las
barras se hizo cada 25 cm para darle continuidad en el diseño, quedando arreglados de
la siguiente manera:
Muros y losas macizas de 1,40 m de espesor: 25,2 cm2 x ml = 1 # 8 @ 25 cm
A/S.
Muros y losas macizas de 2,40 m de espesor: 43,20 cm2 x ml = 1 # 8 @ 25 cm
A/S.
Muro de 1,20 m de espesor: 21,6 cm2 x ml = 1 # 8 @ 25 cm A/S.
Muro de 0,50 m de espesor: 0,90 cm2 x ml = 1 # 8 @ 25 cm / 1 # 6 @ 25 cm.
A/S (por continuidad del muro de 1.20 m).
4.1.5.2. Losa de Fundación.
En los resultados obtenidos del programa STAAD.ProV8i, la losa de fundación, a
diferencia de los otros elementos, requería mayor acero en las zonas donde existe
mayor tracción, en los bordes y donde se encuentra apoyado el muro interno o el muro 1
como se nombro anteriormente.
Para la losa se utilizó el acero por temperatura requerido en los cálculos,
reforzando los puntos críticos con el acero mínimo necesario para cada punto, señalado
en la Tabla 15 que se muestra a continuación. Para realizar esto se obtuvieron los
DERECHOS RESERVADOS
momentos mayores positivos y negativos que se generan en el elemento de las figuras
41 y 42, calculando así, el acero mínimo que se requiere en estas zonas. Se aplicaron
las siguientes formulas:
Los resultados fueron los siguientes:
Tabla 17. Acero requerido para la losa de fundación.
Elemento Momento Kg.m As (cm2) As min (cm2)
As temp (cm2)
Losa fundación
0,60 m
Momento + 15000 10.84 12.50
10,80 Momento – 47000 24.64 17.50
El acero mínimo que se requiere para las zonas donde se genera tracción en los
bordes (parte superior) de momentos negativo mayor, requiere acero de 17.50 cm2 y
donde se produce la tracción (parte inferior) de mayor momento positivo, requiere de un
acero mínimo de 12.50 cm2.
La losa de fundación se diseñó con dos capas de acero: La primera a 7.5 cm de la
base del suelo y la segunda a 30 cm de la primera, quedando así, como norma del
acelerador lineal un recubrimiento de 22.5 cm en la parte superior de la losa.
DERECHOS RESERVADOS
Por lo antes expuesto, para la primera capa se colocó un área mínima de 10.8 cm2
x ml, transversal y longitudinal en toda la losa, con barras #6 a cada 25 cm en ambos
sentidos (5 barras por metro), haciendo un área total de acero de 14.25 cm2 x ml. En los
bordes de la losa se requiere un área de 17.50 cm2 y solo se colocará la diferencia entre
este acero y el valor anterior. Siendo el área extra del acero de refuerzo de 6.7cm2, se
asignaron bastones de barras #5 a cada 25 cm.
La capa superior requiere un acero mínimo de 12.50 cm2 x ml, teniendo como
resultado barras # 6 a cada 25 cm, al igual que en la capa inferior.
4.1.6. Acero Secundario.
Considerando las recomendaciones de varios especialistas en el tema de estudio y
el tutor del proyecto de tesis, se consideró que por los grandes espesores de las losas y
muros para la sala para blindaje biológico es conveniente agregar capas internas con el
mismo acero por temperatura que requiere cada elemento. Esto se realizó con el fin de
confinar internamente el gran volumen de concreto que definen las losas y muros
macizos.
Las armaduras secundarias se disponen en el diseño del acero para absorber
esfuerzos no preponderantes. Su trazado es longitudinal y transversal, estas son las
armaduras para retracción y efectos térmicos, dispuestas en los muros y en las losas
macizas. Estas armaduras ayudarán a impedir una fisuración excesiva y contribuyen al
buen atado de los elementos estructurales, facilitando que su trabajo real responda al
supuesto en el cálculo. Por lo tanto,
Las losas y los muros macizos disponen de las siguientes barras de acero
secundario:
Muros y losas macizas de 1,40 m de espesor: 25,2 cm2 x ml = 3 capas de
acero de 1#5 @ 25 cm A/S.
Muros y losas macizas de 2,40 m de espesor: 43,20 cm2 x ml = 5 capas de
acero de 1#5 @ 25 cm A/S. + 1#8 @ 25 cm A/S. (por continuidad del muro y losa
de 1.40 m).
DERECHOS RESERVADOS
Muro de 1,20 m de espesor: 21,6 cm2 x ml = 2 capas de 1 # 6 @ 25 cm A/S.
Muro de 0,50 m de espesor: 0,90 cm2 x ml= 1 # 8 @ 25 cm / 1 # 6 @ 25 cm.
A/S (por continuidad del muro de 1.40m y 1.20 m).
Para mayor entendimiento y detalle de las capas de acero, distancias, numero de
barras y empalmes, se realizó la vista en planta de la sala para blindaje biológico. En
este se muestra con detalle la disposición del acero en los muros macizos. También se
muestra en la figura, el corte AA` para examinar el detalle la disposición que tendrá las
losas, tanto la de fundación como la de techo.
4.1.7. Nudos y encuentros de las armaduras.
Los nudos y encuentros son zonas singulares en las que se concentro mucha
armadura, por lo que se estudio la disposición de la misma con el fin de facilitar su
construcción y el vaciado del concreto.
Para estas zonas de encuentros de los muros y las losas se empleo una manera
sencilla de unir las barras, siendo consciente que este tipo de anclaje sea construible
con mayor facilidad. En la figura 59 se muestra la unión que se dispuso, tomando como
longitud 36 el diámetro de la barra empleada.
4.1.8. Empalme de las armaduras.
Las barras que comprendes los muros y las losas, debido a sus dimensiones
fueron realizadas mediante solapes. Se diseñaron quedando alejados de las zonas que
trabajan a su máxima carga, es decir, evitándose en las zonas donde hay mayor
tracción. Se diseño con una longitud de solape de 40 Ø, aproximadamente 1 m, como se
muestra en la figura 58.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 57. Armadura principal y secundaria en planta.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 58. Empalmes y anclajes de las armaduras en planta.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 59. Disposición y anclajes de las armaduras en el corte.
DERECHOS RESERVADOS
Figura 60. Empalmes de las armaduras en el corte.
DERECHOS RESERVADOS
CONCLUSIONES.
En el presente trabajo se han seguido las pautas marcadas inicialmente con el fin
de cumplir con cada uno de los objetivos propuestos. Desarrollados, estudiados y
finalizados se llegaron a las siguientes conclusiones:
Los factores que inciden en el diseño de una sala para blindaje biológico son:
tipo de radiación, la energía e intensidad y las dimensiones y forma de la fuente.
El tipo de radiación que genera la fuente, determina la forma y distribución
particular de la sala para blindaje biológico, ya que, de ella depende la dispersión
de la radiación en el recinto.
La energía e intensidad de la radiación, determina las dimensiones y espesores
del material responsable de atenuar la radiación y de los elementos
estructurales, tales como las losas y muros macizos de concreto armado. Por lo
que se debe diseñar respetando los niveles de energía e intensidad que expide
la fuente para que se cumpla con los requisitos de seguridad radiológica y el
objetivo principal que debe cumplir la estructura que es atenuar y blindar la
radiación.
El concreto es un excelente material para blindaje biológico por varias razones:
es eficiente para la atenuación de radiaciones, tiene buenas propiedades
mecánicas y tiene capacidad de tomar cualquier forma. Aunque no puede, en
general, constituir por si solo el blindaje, el acero sirve para reforzarlo, utilizando
armaduras que lo recorren por dentro. El concreto deberá cumplir con ciertas
condiciones, como la densidad y la resistencia a la compresión, las cuales
deben ser suministradas por el fabricante de la fuente.
DERECHOS RESERVADOS
Las dimensiones y formas de la fuentes, determina el espacio necesario que
debe tener el recinto en su interior, para que la fuente tenga un manejo y
desempeño útil.
Toda estructura requiere de una fundación por lo que en el proyecto se recurrió
al uso de una losa de fundación, por las ventajas de que ofrecen una mayor
rigidez y un mayor comportamiento estructural, especialmente en este caso que
sirve de apoyo a los muros para blindaje biológico.
Debido a los espesores de los elementos de la estructura, la combinación del
estado límite de agotamiento resistente que produce los momentos más
desfavorables es la del peso propio de la estructura con un factor de mayo ración
de 1.4.
Diseñada y analizada la estructura en el programa STAAD.ProV8i, las áreas de
acero requeridas en todos los elementos de la estructura, excepto en la losa de
fundación, fue el acero por temperatura, debido a los grandes espesores que los
muros y las losas macizas poseen.
Las losas y muros macizos se diseñaron con las áreas de acero por temperatura
que arrojó como resultado el cálculo en el programa STAAD.ProV8i. El acero se
distribuyo en las capas interiores y exteriores de los muros, y en capas
superiores e inferiores de las losas, armadas en dos direcciones, longitudinal y
transversal.
Se dispuso de armaduras secundarias en las losas y los muros macizos para
absorber esfuerzos no preponderantes, más o menos parásitos. Su trazado fue
longitudinal y transversal, estas son las armaduras para retracción y efectos
térmicos, ayudando a impedir una fisuración excesiva y contribuyendo al buen
atado de estos elementos estructurales.
Los resultados del área de acero para la losa de fundación, se determinó por los
momentos que en ella se originan. Se diseñó un refuerzo para la tracción que se
produce en los bordes de la losa y donde se apoya el muro interno. Se calculó el
DERECHOS RESERVADOS
acero que se requería para la flexión de la losa en el medio de la losa por efecto
de los momentos positivos que producen en esa zona. El acero total que
requería la losa de fundación se distribuyó en dos capas armadas longitudinal y
transversalmente, al igual que los refuerzos dispuestos en los bordes y apoyo del
muro interno con forma de bastones.
El área de acero de refuerzo requerida para soportar la tracción en los bordes, se
determinó por la diferencia del acero requerido en esa zona y el acero dispuesto
en la capa inferior de la losa de fundación.
La unión del acero de refuerzo con el acero de la losa de fundación fue mediante
empalmes y longitudes de solape.
La elaboración de este trabajo de investigación cumple con el fin de ser un objeto
de consulta para ingenieros, arquitectos y estudiantes; el contenido de este
trabajo cumple con todas las especificaciones y normas vigentes para tales fines.
Es de gran valor para el análisis y diseño de estructuras para blindaje biológico.
DERECHOS RESERVADOS
RECOMENDACIONES.
Concluido el trabajo de investigación, se considero que sea de gran
importancia tomar en cuenta las siguientes pautas para trabajos futuros y que sirvan de
apoyo para el diseño de estructuras que conformen losas y muros macizos para
blindaje biológico. Las recomendaciones son las siguientes:
El proyectista deberá asesorarse con la empresa encargada de suministrar el
equipo, cualquier mínimo cambio que desee realizar en la forma y distribución de
la sala destinada para blindaje biológico, ya que, de esto dependerá
fundamentalmente la manera en que se dispersa la radiación.
Se deberá diseñar y construir, respetando los niveles de energía e intensidad
que expide la fuente para que se cumpla con los requisitos de seguridad
radiológica y el objetivo principal que debe cumplir la estructura que es atenuar y
blindar la radiación.
Se deberá considerar el peso o la carga que la fuente transmite a la estructura.
Debido a las limitaciones y estricta exigencias para el diseño de una sala de
radioterapia es de suma importancia, tener buen conocimiento sobre las normas
vigentes que aplican a este tipo de construcciones. En especial aquellas para la
protección radiológica.
Consultar y tener conocimiento de las normas aplicadas para el diseño de muros
y losas macizas que rigen en el país, tomando en cuenta las verificaciones
necesarias para confirmar el buen análisis del diseño. En el caso de las placas
se deberá colocar armadura especial para absorber los esfuerzos del corte y
punzonado.
DERECHOS RESERVADOS
Se recomienda el uso de armaduras secundarias en las losas y los muros
macizos para absorber esfuerzos no preponderantes, para retracción y efectos
térmicos, ayudando a impedir una fisuración excesiva y contribuyendo al buen
atado de estos elementos estructurales.
DERECHOS RESERVADOS
ANEXOS.
DERECHOS RESERVADOS
Anexo 1. Mapa de zonificación sísmica de Venezuela. Covenin 1756.
DERECHOS RESERVADOS
Anexo 2. Fotografía de una sala para blindaje biológico en el Centro Médico
Paraíso. Maracaibo – Zulia.
Armaduras de Muros Internos.
DERECHOS RESERVADOS
Losa de Fundación y muros internos
DERECHOS RESERVADOS
Disposición de las armaduras para los muros
DERECHOS RESERVADOS
Vista en altura desde una edificación adyacente
DERECHOS RESERVADOS
Encofrado para un muro de 1m de espesor.
DERECHOS RESERVADOS
Vista global de la sala de radioterapia.
DERECHOS RESERVADOS
Anexo 3. Editor del Diseño de la sala para blindaje biológico con losas y
STAAD SPACE
START JOB INFORMATION
ENGINEER DATE 03-Dec-09
END JOB INFORMATION
INPUT WIDTH 79
UNIT METER KG
JOINT COORDINATES
ELEMENT INCIDENCES SHELL
START GROUP DEFINITION
ELEMENT
_LOSA-FUNDACION 1 TO 735
_LOSATECHO1.40 2013 TO 2018 2032 TO 2053 2067 TO 2088 2102 TO 2123 -2137
TO 2158 2172 TO 2193 2207 TO 2228 2242 TO 2263 2277 TO 2298 -2312 TO 2333
2347 TO 2368 2382 TO 2403 2417 TO 2438 2452 TO 2473 -2487 TO 2508 2522 TO
2543 2557 TO 2578 2592 TO 2613 2627 TO 2648 -2662 TO 2683 2697 TO 2718 2732
TO 2747
_LOSATECHO2.4 2019 TO 2031 2054 TO 2066 2089 TO 2101 2124 TO 2136 -2159
TO 2171 2194 TO 2206 2229 TO 2241 2264 TO 2276 2299 TO 2311 -2334 TO 2346
2369 TO 2381 2404 TO 2416 2439 TO 2451 2474 TO 2486 -2509 TO 2521 2544 TO
2556 2579 TO 2591 2614 TO 2626 2649 TO 2661 -2684 TO 2696 2719 TO 2731
_MUROS2.40 1095 TO 1107 1119 TO 1131 1143 TO 1155 1167 TO 1179 1191 TO
1203 -1215 TO 1227 1239 TO 1251 1263 TO 1275 1287 TO 1299 1311 TO 1323 -1335
TO 1347 1358 TO 1369 1393 TO 1404 1428 TO 1439 1463 TO 1474 -1498 TO 1509
1533 TO 1544 1568 TO 1579 1603 TO 1614 1638 TO 1649 -1673 TO 1684 1708 TO
1719
_MUROS1.40 736 738 TO 1094 1108 TO 1118 1132 TO 1142 1156 TO 1166 -1180 TO
1190 1204 TO 1214 1228 TO 1238 1252 TO 1262 1276 TO 1286 -1300 TO 1310 1324
TO 1334 1348 TO 1357 1370 TO 1392 1405 TO 1427 -1440 TO 1462 1475 TO 1497
1510 TO 1532 1545 TO 1567 1580 TO 1602 -1615 TO 1637 1650 TO 1672 1685 TO
1707 1720 TO 1737
_MURO1.20 1738 TO 1748 1759 TO 1769 1780 TO 1790 1801 TO 1811 1822 TO 1832
DERECHOS RESERVADOS
1843 TO 1853 1864 TO 1874 1885 TO 1895 1906 TO 1916 1927 TO 1937 -1948 TO
1958
_MURO0.50 1749 TO 1758 1770 TO 1779 1791 TO 1800 1812 TO 1821 1833 TO 1842
1854 TO 1863 1875 TO 1884 1896 TO 1905 1917 TO 1926 1938 TO 1947 -1959 TO
2012
END GROUP DEFINITION
ELEMENT PROPERTY
1749 TO 1758 1770 TO 1779 1791 TO 1800 1812 TO 1821 1833 TO 1842 1854 TO
1863 -1875 TO 1884 1896 TO 1905 1917 TO 1926 1938 TO 1947 1959 TO 2011 -2012
THICKNESS 0.5
1738 TO 1748 1759 TO 1769 1780 TO 1790 1801 TO 1811 1822 TO 1832 1843
TO1853 -1864 TO 1874 1885 TO 1895 1906 TO 1916 1927 TO 1937 1948 TO 1957 -
1958 THICKNESS 1.2
736 738 TO 1094 1108 TO 1118 1132 TO 1142 1156 TO 1166 1180 TO 1190 -1204 TO
1214 1228 TO 1238 1252 TO 1262 1276 TO 1286 1300 TO 1310 -1324 TO 1334 1348
TO 1357 1370 TO 1392 1405 TO 1427 1440 TO 1462 -1475 TO 1497 1510 TO 1532
1545 TO 1567 1580 TO 1602 1615 TO 1637 -1650 TO 1672 1685 TO 1707 1720 TO
1737 THICKNESS 1.4
1095 TO 1107 1119 TO 1131 1143 TO 1155 1167 TO 1179 1191 TO 1203 1215
TO1227 -1239 TO 1251 1263 TO 1275 1287 TO 1299 1311 TO 1323 1335 TO 1347 -
1358 TO 1369 1393 TO 1404 1428 TO 1439 1463 TO 1474 1498 TO 1509 -1533 TO
1544 1568 TO 1579 1603 TO 1614 1638 TO 1649 1673 TO 1684 -1708 TO 1719
THICKNESS 2.4
1 TO 735 THICKNESS 0.6
2013 TO 2018 2032 TO 2053 2067 TO 2088 2102 TO 2123 2137 TO 2158 2172 TO
2193 -2207 TO 2228 2242 TO 2263 2277 TO 2298 2312 TO 2333 2347 TO 2368 -2382
TO 2403 2417 TO 2438 2452 TO 2473 2487 TO 2508 2522 TO 2543 -2557 TO 2578
2592 TO 2613 2627 TO 2648 2662 TO 2683 2697 TO 2718 -2732 TO 2747
THICKNESS 1.4
2019 TO 2031 2054 TO 2066 2089 TO 2101 2124 TO 2136 2159 TO 2171 2194
TO2206 -2229 TO 2241 2264 TO 2276 2299 TO 2311 2334 TO 2346 2369 TO 2381 -
2404 TO 2416 2439 TO 2451 2474 TO 2486 2509 TO 2521 2544 TO 2556 -2579 TO
2591 2614 TO 2626 2649 TO 2661 2684 TO 2696 2719 TO 2730 -2731
DERECHOS RESERVADOS
THICKNESS 2.4
DEFINE MATERIAL START
ISOTROPIC CONCRETE
E 2.21467e+009
POISSON 0.17
DENSITY 2402.62
ALPHA 1e-005
DAMP 0.05
END DEFINE MATERIAL
CONSTANTS
MATERIAL CONCRETE ALL
SUPPORTS
1 TO 792 ELASTIC MAT DIRECT Y SUBGRADE 1e+007
LOAD 1 LOADTYPE Dead TITLE CARGA PERMANENTE (CP)
SELFWEIGHT Y -1
LOAD 2 LOADTYPE Live TITLE CARGA VARIABLE (CV)
ELEMENT LOAD
2013 TO 2747 PR GY -250
362 363 397 398 PR GY -9688
1 TO 735 PR GY -250
LOAD 3 LOADTYPE None TITLE EMPUJE DE TIERRA (CE)
ELEMENT LOAD
858 TO 878 TRAP Y -2870 -2617
879 TO 899 TRAP Y -2617 -2363
900 TO 920 TRAP Y -2363 -2110
921 TO 941 TRAP Y -2110 -1857
942 TO 962 TRAP Y -1857 -1603
963 TO 983 TRAP Y -1603 -1350
984 TO 1004 TRAP Y -1350 -1097
1005 TO 1025 TRAP Y -1097 -843
1026 TO 1046 TRAP Y -843 -590
1047 TO 1067 TRAP Y -590 -337
1068 TO 1088 TRAP Y -337 -83
DERECHOS RESERVADOS
1388 TO 1422 1759 TO 1779 TRAP Y 2617 2363
1423 TO 1457 1780 TO 1800 TRAP Y 2363 2110
1458 TO 1492 1801 TO 1821 TRAP Y 2110 1857
1493 TO 1527 1822 TO 1842 TRAP Y 1857 1603
1528 TO 1562 1843 TO 1863 TRAP Y 1603 1350
1563 TO 1597 1864 TO 1884 TRAP Y 1350 1097
1598 TO 1632 1885 TO 1905 TRAP Y 1097 843
1633 TO 1667 1906 TO 1926 TRAP Y 843 590
1668 TO 1702 1927 TO 1947 TRAP Y 590 337
1703 TO 1737 1948 TO 1968 TRAP Y 337 83
1353 TO 1387 1738 TO 1758 TRAP Y 2870 2617
LOAD 4 LOADTYPE None TITLE EMPUJE DINAMICO (ED)
ELEMENT LOAD
984 TO 1004 PR -1672 -0.2 0.19 0.2 0.2
1563 TO 1597 PR GZ 1672 -0.2 0.19 0.2 0.2
1864 TO 1884 PR GX -1672 -0.2 0.19 0.2 0.2
*************** SOLICITACIONES PARA EL ESTADO*************
************LIMITE DE AGOTAMIENTO RESISTENTE ************
LOAD COMB 5 1.4 CP
1 1.4
LOAD COMB 6 1.2 CP + 1.6(CV + CE)
1 1.2 2 1.6 3 1.6
LOAD COMB 7 1.2CP + CV
1 1.2 2 1.0
LOAD COMB 8 0.9CP
1 0.9
LOAD COMB 9 0.9CP+1.6CE
1 0.9 3 1.6
LOAD COMB 10 0.9CP - 1.6CE
1 0.9 3 -1.6
*********** SOLICITACIONES PARA EL ESTADO***************
********** LIMITE DE SERVICIO*************
LOAD COMB 11 CP
DERECHOS RESERVADOS
1 1.0
LOAD COMB 12 CV
2 1.0
LOAD COMB 13 CP + CV + CE
1 1.0 2 1.0 3 1.0
LOAD COMB 14 0.9CP+ CE
1 0.9 3 1.0
LOAD COMB 15 0.9CP - CE
1 0.9 3 -1.0
**********NORMA EDIFICACIONES SISMO RESISTENTES************
********SUPERPOSICION DE EFECTOS EN LOS MUROS*******
LOAD COMB 16 1.1CP+CV+ ED
1 1.1 2 1.0 4 1.0
LOAD COMB 17 0.9CP + ED
1 0.9 4 1.0
PERFORM ANALYSIS PRINT STATICS CHECK
START CONCRETE DESIGN
CODE ACI
CLB 0.05 MEMB 736 738 TO 2747
CLB 0.075 MEMB 1 TO 735
CLT 0.05 MEMB 736 738 TO 2747
CLT 0.2 MEMB 1 TO 735
FC 3e+006 ALL
FYMAIN 4.21844e+007 ALL
********** DISENO DE LA LOSA FUNDACION ********************
DESIGN ELEMENT 1 TO 735
************* DISENO DE LOSA DE TECHO 1.40 *********************
DESIGN ELEMENT 2013 TO 2018 2032 TO 2053 2067 TO 2088 2102 TO 2123 -
2137 TO 2158 2172 TO 2193 2207 TO 2228 2242 TO 2263 2277 TO 2298 -
2312 TO 2333 2347 TO 2368 2382 TO 2403 2417 TO 2438 2452 TO 2473 -
2487 TO 2508 2522 TO 2543 2557 TO 2578 2592 TO 2613 2627 TO 2648 -
2662 TO 2683 2697 TO 2718 2732 TO 2747
DERECHOS RESERVADOS
********** DISENO DE LA LOSA DE TECHO 2.40 *****************************
DESIGN ELEMENT 2019 TO 2031 2054 TO 2066 2089 TO 2101 2124 TO 2136 -
2159 TO 2171 2194 TO 2206 2229 TO 2241 2264 TO 2276 2299 TO 2311 -
2334 TO 2346 2369 TO 2381 2404 TO 2416 2439 TO 2451 2474 TO 2486 -
2509 TO 2521 2544 TO 2556 2579 TO 2591 2614 TO 2626 2649 TO 2661 -
2684 TO 2696 2719 TO 2731
**************** DISENO DE MURO DE 2.40 ****************************
DESIGN ELEMENT 1095 TO 1107 1119 TO 1131 1143 TO 1155 1167 TO 1179 -
1191 TO 1203 1215 TO 1227 1239 TO 1251 1263 TO 1275 1287 TO 1299 -
1311 TO 1323 1335 TO 1347 1358 TO 1369 1393 TO 1404 1428 TO 1439 -
1463 TO 1474 1498 TO 1509 1533 TO 1544 1568 TO 1579 1603 TO 1614 -
1638 TO 1649 1673 TO 1684 1708 TO 1719
******************** DISENO DE MURO DE 1.40 ***********************88
DESIGN ELEMENT 736 738 TO 1094 1108 TO 1118 1132 TO 1142 1156 TO 1166
1180 -1181 TO 1190 1204 TO 1214 1228 TO 1238 1252 TO 1262 1276 TO 1286 1300
TO 1310 -1324 TO 1334 1348 TO 1357 1370 TO 1392 1405 TO 1427 1440 TO 1462 -
1475 TO 1497 1510 TO 1532 1545 TO 1567 1580 TO 1602 1615 TO 1637 -1650 TO
1672 1685 TO 1707 1720 TO 1737
************* DISENO DE MURO DE 1.20 *****************************
DESIGN ELEMENT 1738 TO 1748 1759 TO 1769 1780 TO 1790 1801 TO 1811 -1822
TO 1832 1843 TO 1853 1864 TO 1874 1885 TO 1895 1906 TO 1916 -1927 TO 1937
1948 TO 1958
***************** DISENO DE MURO DE 0.50*************************
DESIGN ELEMENT 1749 TO 1758 1770 TO 1779 1791 TO 1800 1812 TO 1821 -1833
TO 1842 1854 TO 1863 1875 TO 1884 1896 TO 1905 1917 TO 1926 -1938 TO 1947
1959 TO 2012
END CONCRETE DESIGN
PRINT ANALYSIS RESULTS
PRINT SUPPORT REACTION ALL
PRINT ELEMENT STRESSES LIST 1 TO 735
FINISH
DERECHOS RESERVADOS
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