Anexos 86 Anexo I Planos del edificio 780 - Pre, estudiado 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 Anexo II Diseño del módulo 780 - Pre 97 98 A2.1 Diseño del anillo de cimentación El análisis estructural se realizó suponiendo comportamiento lineal elástico de la viga bajo la acción de las cargas en servicio. Las solicitaciones de carga fueron solamente por carga muerta como se muestra en la Tabla A2.1.1 y fueron amplificadas por el factor de 1.4 de acuerdo con la Norma de concreto armado (NTE E.060, 2009). Figura A2.1.1: Anillo de cimentación 99 Tabla A2.1.1: Cargas del anillo de cimentación Elemento Carga C1 (entre Eje 1 y Eje A) 839.30kg C1 (entre Eje 1 y Eje C) 789.51kg C2 2255.3kg C3 623.45kg C4 1692.17kg C5 1092.42kg Peso propio de Viga VC – 1 219.60kg/m Peso propio de Viga VC – 2 216.00 kg/m Peso propio de muros del eje 1 130.50 kg/m Peso propio de muros del eje 3 90.00 kg/m La estructura se idealizó como una viga simplemente apoyada ya que durante el traslado del módulo para su ensayo, la estructura se alza de su base. Esta base es el anillo de cimentacion y tiene 4 ganchos de acero, una en cada esquina, a una cierta distancia de sus extremos. La modelación de los elementos del anillo se realizó con elementos lineales. Figura A2.1.2: Esquema del diagrama de Momentos flectores (izquierda) y diagrama de fuerzas cortantes (derecha). 100 El diseño se hizo por esfuerzos admisibles usando la norma E.060. Y los resultados del diseño son mostrados en la Tabla A2.1.2. El momento de la sección VC – 2, bajo cargas de servicio es el 56% del momento de agrietamiento, mientras que el momento de la sección VC – 1, bajo cargas de servicio excede en un 17% al momento de agrietamiento. Tabla A2.1.2: Capacidad de vigas en flexión y corte Parámetro VC1 VC2 Unidades Mservicio 2284 1040 Kgf.m f 'c 350 350 Kgf/cm2 Ec 281x103 281x103 Kgf/cm2 fy 4200 4200 Kgf/cm2 Es 2x106 2x106 Kgf/cm2 b 30.5 30.0 cm h 30.0 30.0 cm d 24.0 24.0 cm As+ colocado 28 (4 ϕ 5/8") 8 (4 ϕ 5/8") cm As- colocado 8 (4 ϕ 5/8") 8 (4 ϕ cm2 5/8") Sección transformada no agrietada Mcr 1888 1860 Kgf.m fc 37 (0.11f'c) 37 (0.11f'c) Kgf/cm2 fs 158 (0.04fy) 158 (0.04fy) Kgf/cm2 ec 0.13x10-3 0.13x10-3 - es 0.08 x10-3 0.08 x10-3 - Sección transformada agrietada Mservicio 2284 1040 < Mcr Kgf.m fc 86 (0.25f'c) - Kgf/cm2 fs 1345(0.32fy) - Kgf/cm2 ec 0.31x10-3 - - es 0.67x10-3 - - Capacidad máxima de la sección por esfuerzos admisibles fc 162 (0.46f'c) 163 (0.47f'c) Kgf/cm2 101 fs 2520(0.6fy) 2520(0.6fy) Kgf/cm2 Mad 4277 4273 Kgf.m ec 0.58x10-3 0.58x10-3 - es 1.26x10-3 1.26x10-3 - Diseño por corte Vu 2171.0 1284.0 Kgf ϕ Vc 6169.4 6068.2 Kgf 0.5 ϕ Vc 3084.7 3034.1 Kgf si si No requiere Vu ≤ 0.5 ϕ Vc ningún refuerzo por corte La distribución de estribos fue de 3/8" a cada 25cm. Cuando Vu ≤ 0.5 ϕ Vc , la viga no necesita ningún refuerzo por corte, sólo los estribos por montaje. Sin embargo, se colocó estribos para evitar el pandeo de las barras longitudinales en compresión por cargas de gravedad sin efectos sísmicos, resultando la separacion maxima (smax = 16db) 25cm. A2.2 Diseño de las vigas de techo El diseño de las vigas consistió en escalar la capacidad máxima de las secciones del edificio 780 – Pre, estudiado. El factor de escala para obtener la resistencia en flexión de una sección en el rango elástico a escala reducida es S 3l . La resistencia a flexión de las vigas del edificio 780 – Pre, estudiado es 8 veces la resistencia a flexión de las vigas del módulo 780 – Pre, como se muestran en la Tabla A2.2.1 y en la Tabla A2.2.2 . Cabe resaltar que la escala SL = 2. 102 Tabla A2.2.1: Resistencia de diseño de las secciones VA -1 (edificio estudiado) y V - 1 (módulo) Edificio 780 – Pre Módulo 780 –Pre ϕ Mn (-) max = ϕ Mn (-)1 10.40 Ton. m 1.30 Ton. m ϕ Mn (+) max = ϕ Mn (+)1 8.00 Ton. m 1.0 Ton. m Tabla A2.2.2: Resistencia de diseño de las secciones V102 (edificio estudiado) y V - 2 (módulo) Piso Momento Edificio 780 – Pre Módulo 780 –Pre ϕ Mn (-) max 25.11 Ton. m 3.14 Ton. m Piso 1 ϕ Mn (+) max 21.75 Ton. m 2.72 Ton. m ϕ Mn (-) max 18.22 Ton. m 2.28 Ton. m Piso 2 ϕ Mn (+) max 15.72 Ton. m 1.97 Ton. m A2.2.1 Diseño de la sección V - 1 Con las áreas de acero colocadas en las secciones de las vigas V – 1 del módulo 780 – Pre, se logró aproximar la resistencia de diseño de la sección a escala reducida, siendo mostrados en la Tabla A2.2.3. También se calcularon los momentos actuantes, Mu, que resultaron ser muy pequeños debido a solo las solicitaciones de carga muerta. Tabla A2.2.3: Capacidad de flexión de V – 1 X-X Unidade Parámetro Piso 1 Piso 2 s f'c 175 175 Kgf/cm2 fy 4200 4200 Kgf/cm2 b 12.5 12.5 cm h 22.5 22.5 cm d 19.5 19.5 cm 103 Unidade Parámetro Piso 1 Piso 2 s As min 0.54 0.54 cm2 As máx 3.24 3.24 cm2 As (-) colocado 22 (4 ϕ 8mm) 2 (4 ϕ 8mm) cm As (+) colocado 1.5 (3 ϕ 8mm) 1.5 (3 ϕ 8mm) cm2 Cuantía (As -) 0.82 0.82 % Cuantía (As +) 0.62 0.62 % ϕ Mn2 (-) 1309 1309 Kgf.m ϕ Mn (+) 1014 1014 Kgf.m 2 ϕ Mn (-)2 ≈ ϕ Mn (-) ok ok 1 1 ϕ Mn (+) ≈ ϕ Mn (+) ok ok 2 1 1 Mu(-) 430.3 217.0 Kgf.m Mu(+) 369.8 205.5 Kgf.m ϕ Mn ≥ Mu ok ok También se hizo la revisión por fuerza cortante. El cortante a “d” de la cara derecha de la viga V – 1, entre los ejes A y B, en el primer nivel es: Vu ≈ 721kg La capacidad del concreto, ϕ Vc, de acuerdo con la Norma E.060 resulta: ϕ VC = ϕ 0.53 √f'c bW d = 0.85x0.53x√175x12.5x19.5 ≈ 1453kg En consecuencia ϕ VC ≥ VU. El cortante resistido por el concreto excede en un 50% a la resistencia requerida por corte en la sección. Por lo que, el espaciamiento máximo viene dado por d/2 ≈ 10 cm. Adicionalmente es necesario los requerimientos de estribos para el control del pandeo de las barras longitudinales comprimidas y se muestran a continuación: 104 S ≤ 13 cm (16 db) S ≤ 12.5 cm (b) S ≤ 30.5 cm (48 de) S ≤ 30 cm (recomendación) Por lo tanto la separación de los estribos es como máximo 10 cm en la zona que requiera A's. Posteriormente se procedió al diseño por capacidad, calculando el cortante VU de la siguiente manera: VU = 1.25 VISOESTÁTICO + 1.25 (Mni + Mnd)/ Ln ≈ 2 192.6kg El cortante por el acero es VS = VU/ ϕ - VC ≈ 870.5kg. Se calcula el espaciamiento como s = AV fy d/ VS ≈ 53 cm. Por lo tanto, el espaciamiento máximo es de 10 cm, no obstante se colocó una distribución de estribos análogo al edificio 780 – Pre, siendo el que se muestra: ϕ 6mm 1 @ 3, 7 @ 5, r @ 10cm c/e A2.2.2 Diseño de la sección V – 2 Para el caso de las Vigas V – 2 del módulo 780 – Pre se optó por lograr una capacidad de flexión menor, con un área de acero menor de lo que le corresponde por el factor de escala ya que no se encuentran en la misma dirección del ensayo de simulación. No obstante, se cumplió que ϕ Mn ≥ Mu. Los resultados se muestran en la Tabla A2.2.4 y en la Tabla A2.2.5. Tabla A2.2.4: Capacidad de flexión de V – 2 Parámetro Piso 1 Piso 2 Unidades f'c 175 175 Kgf/cm2 fy 4200 4200 Kgf/cm2 b 15 15 cm h 35 35 cm d 32 32 cm As min 1.06 1.06 cm2 105 Parámetro Piso 1 Piso 2 Unidades As máx 6.38 6.38 cm2 As (-) ϕ ϕ cm21.5 (3 8mm) 1.5 (3 8mm) colocado As (+) 21.5 (3 ϕ 8mm) 1.5 (3 ϕ 8mm) cm colocado Cuantía (As -) 0.31 0.31 % Cuantía (As +) 0.31 0.31 % ϕ Mn (-) 1743 1743 Kgf.m ϕ Mn(+) 1743 1743 Kgf.m Mu(-) 366 145 Kgf.m Mu(+) 294.5 415 Kgf.m ϕ Mn ≥ Mu ok ok Tabla A2.2.5: Capacidad de la sección V – 2 con respecto a la sección del edificio estudiado en porcentaje Piso Porcentaje 1.74/3.14 ≈ 55% Piso 1 1.74/2.72 ≈ 65% 1.74/2.28 ≈ 76% Piso 2 1.74/1.97 ≈ 88% También se hizo la revisión por fuerza cortante. El cortante a “d” de la cara derecha de la viga V – 1, entre los ejes A y B, en el primer nivel es: Vu ≈ 578kg La capacidad del concreto, ϕ Vc, de acuerdo a la Norma E.060 resulta: ϕ VC = ϕ 0.53 √f'c bW d = 0.85x0.53x√175x15x32 ≈ 2 861kg 106 En consecuencia ϕ VC > VU. El cortante resistido por el concreto excede en un 80% a la resistencia requerida por corte en la sección. Por consiguiente, el espaciamiento máximo viene dado por d/2 ≈ 16 cm. Adicionalmente es necesario los requerimientos de estribos para el control del pandeo de las barras longitudinales comprimidas y se muestran a continuación: S ≤ 13 cm (16 db) S ≤ 15 cm (b) S ≤ 30.5 cm (48 de) S ≤ 30 cm (recomendación) No obstante se colocó una distribución de estribos tal como se muestra: ϕ 6mm 1 @ 3, 7 @ 5, r @ 15cm c/e A2.3 Diseño de la losa aligerada El diseño de la losa aligerada del módulo 780 – Pre, se desarrolló utilizando el método de los coeficientes de la Norma E060 vigente. La planta del aligerado se muestra en la Figura A2. 3.1 y el detalle del aligerado en la Figura A2.3.2. Figura A2. 3.1: Planta de aligerado del primer nivel. Las unidades están en centímetros. 107 Figura A2.3.2: Detalle típico del aligerado. Unidad: Centímetro. La carga distribuida por vigueta resulta de solamente la carga muerta ya que no se colocó sobrecarga a la losa aligerada para el ensayo. El factor de amplificación de carga es 1.4 (NTE E.060, 2009). Por lo tanto, se tiene w servicio = 46kg/m y wu = 64 kg/m. A continuación se muestra un corte longitudinal de una vigueta y el diagrama de momentos flectores. L = 1.80m 1.80m Figura A2. 3.3: Diagrama de momentos La Tabla A2.3.1: Capacidad de una vigueta del aligerado Tabla A2.3.1 muestra el acero requerido superior e inferior en la sección, así como la resistencia a momento flector. Tabla A2.3.1: Capacidad de una vigueta del aligerado Parámetro Piso 1 Unidades f'c 175 Kgf/cm2 Ec 200 000 Kgf/cm2 fy 4200 Kgf/cm2 Es 2 000 000 Kgf/cm2 h 10 cm t 2 cm d 8.3 cm 108 Parámetro Piso 1 Unidades Acero Balanceado Momento Negativo, M - b 8 cm As 2b 1.18 cm As - máx 0.9 cm2 Momento Positivo, M + b 38 cm As b 3.3 cm2 As + máx 2.5 cm2 Acero Mínimo Momento Negativo, M - Mcr 99.6 Kg.m ϕ Mn (-) 119.5 Kg.m As - min 0.40 cm2 Momento Positivo, M + b 8 cm As + min 0.16 cm2 Diseño de las secciones Momento Negativo, M - Mu (-) eje 25.90 Kg.m Mu (-) cara 20.51 Kg.m bw 8 cm As (-) 0.07 cm2 Momento Positivo, M+ Mu (+) máx 14.58 Kg.m b 38 cm As (+) 0.05 cm2 Acero colocado As - ≥ As - min 0.71 (1 ϕ 3/8") cm2 As + ≥ As + min 0.71 (1 ϕ 3/8") cm2 Resistencia a flexión 109 Parámetro Piso 1 Unidades ϕ Mn (-) 189.1 Kg.m ϕ Mn (+) 215.7 Kg.m También se hizo la revisión por fuerza cortante. El cortante a “d” de la cara derecha es: Vu = 5x64x1.82/8 – 64x (0.15/2+0.083) ≈ 61.85kg La capacidad del concreto, ϕ Vc, considerando 10% de incremento de acuerdo a la Norma E.060 resulta: ϕ Vc = 1.1 ϕ 0.53 √f'c bW d = 1.1x0.85x0.53x√175x8x8.3 ≈ 435.3kg En consecuencia ϕ Vc ≥ Vu. El cortante resistido por el concreto excede en un 86% a la resistencia requerida por corte en la sección. A2.4 Diseño de las columnas El diseño de las columnas consistió en disponer aproximadamente las mismas cuantías de acero existentes en las secciones del edificio estudiado a las secciones del módulo 780 – Pre, de tal manera que se genere en el rango elástico los mismos esfuerzos cortantes. Con el acero colocado se construyó los diagramas de interacción (Momento – Carga axial) y se ubicaron los pares de valores PU y MU provenientes de las combinaciones. Cabe resaltar que el módulo 780 – Pre, para su ensayo de simulación se ensayó en una dirección y no se colocó sobrecarga lo que se analizó en la dirección de su movimiento y se redujo el número de combinaciones. A continuación se muestra los resultados de PU y MU para las cinco (5) tipos de columnas del módulo. A2.4.1Diseño de la sección C1 y C3 110 Tabla A2.4.1: Pares de valores PU y MU de la columnas C1 y C3 C1 (Eje 1) C3 (Eje 3) Combinación PU M M (Ton.m) P (Ton) U (Ton) U U (Ton.m) M : 1.4CM 1.17 0.015 0.84 0.010 MSX : 1.25 CM ± SX 1.73 0.303 1.44 0.289 MSX : 0.9 CM ± SX 1.44 0.299 1.23 0.287 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 MSx M 0.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 -10.0 -20.0 -30.0 Momento, M (Ton.m) ɸMn Mn Figura A2.4.1: Diagrama de interacción de la columna C1 Carga Axial, P (Ton) 111 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 M MSx 0.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 -10.0 -20.0 Momento, M (Ton.m) ɸMn Mn Figura A2.4.2: Diagrama de interacción de la columna C3 A2.4.2 Diseño de la sección C2 y C4 El diseño de ambas columnas es la misma, así que bastará desarrollar cualquiera de una de ellas. Tabla A2.4.2: Pares de valores PU y MU de la columnas C2 y C4 C2 (Eje 1) C4 (Eje 3) Combinación MU PU (Ton) MU (Ton.m) PU (Ton) (Ton.m) M : 1.4CM 3.16 0.001 2.45 0.001 MSX : 1.25 CM ± 2.19 0.510 2.82 0.530 SX MSX : 0.9 CM ± 1.58 0.509 2.03 0.529 SX Carga Axial, P (Ton) 112 80.0 60.0 40.0 20.0 M MSx 0.0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -20.0 -40.0 -60.0 Momento, M (Ton.m) ɸMn Mn Figura A2.4.3: Diagrama de interacción de la columna C2 A2.4.3Diseño de la sección C5 Tabla A2.4.3: Pares de valores PU y MU de la columnas C5 C5 (Eje 2) Combinación PU MU (Ton.m) (Ton) M : 1.4CM 1.59 0.010 MSX : 1.25 CM ± SX 1.54 0.562 MSX : 0.9 CM ± SX 1.14 0.559 Carga Axial, P (Ton) 113 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 M MSx 0.0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -20.0 -40.0 -60.0 Momento, M (Ton.m) ɸMn Mn Figura A2.4.4: Diagrama de interacción de la columna C5 Se observa que los diagramas de falla de las columnas resultan suficientes para las combinaciones de carga asociadas a una aceleración máxima equivalente al doble de la aceleración máxima actuante en el edificio escolar tipo 780 –Pre, estudiado. Carga Axial, P (Ton) Anexo III Registro fotográfico de la construcción del módulo 780 - Pre 114 115 Fotos 1 y 2. Proceso constructivo del Anillo de Cimentación (similar para ambos Módulos) Fuente: Wilson Silva. 116 Fotos 3 y 4. Anillo de Cimentación: Colocación del concreto y desencofrado posterior Fuente: Wilson Silva. 117 Fotos 5 y 6. “Pesado” de la cimentación (concreto fresco y con el refuerzo de las columnas puesto). Encofrado de las columnas del primer piso Fuente: Wilson Silva. 118 Fotos 7 y 8. Encofrado de las Vigas del primer techo Fuente: Wilson Silva. 119 Fotos 9 y 10. Encofrado de Vigas y hormigonado del segundo techo Fuente: Wilson Silva. 120 Fotos 11 y 12. Detalles de la construcción de los “parapetos” de albañilería Fuente: Wilson Silva. Anexo IV Diseño del módulo 780 - Pre, reforzado 121 122 A4.1 Diseño de los arriostres Del análisis elástico de la estructura se encontró que los arriostres están sometidos a cargas axiales como se muestran en la Tabla A4.1.1. Tabla A4.1.1: Fuerza axial de los arriostres, Pu Eje 1 Eje 3 Compresión (kgf) 6400 5920 Tensión (kgf) 6260 5793 Con los valores de las cargas axiales se desarrolló un diseño de acuerdo con la nueva propuesta de la norma peruana para estructuras de acero (NTE E.090, 2016). Se propuso una sección transversal HSS 2x1x1/8" de acero A36 como se muestra en la Figura A4.1.1 con las siguientes propiedades:  Base (b) = 25mm  Altura (h) = 50mm  Espesor (t) = 3.175mm  Área (Ag) = 443.5mm2  Momento de inercia respecto al eje X (Ix) = 43 763.9mm4  Momento de inercia respecto al eje Y (Iy) = 138 066.3mm4  Radio de giro respecto al eje X (rx) = 9.93mm  Radio de giro respecto al eje X (ry) = 17.64mm  Esfuerzo de fluencia (Fy) = 250MPa  Módulo de elasticidad (Es) = 200 000MPa 123 Figura A4. 1.1: Sección HSS 2x1x1/8" La longitud de cada riostra son idénticas e iguales a L = 1 857.5mm. A4.1.1Verificación de ancho/ espesor Para solicitaciones de compresión la sección puede clasificarse como no esbelta si se cumple la ecuación (1). (1) b/t < 1.40√E⁄Fy Siendo b = 50mm - 3*3.175mm = 40.475mm y t = 3.175mm Se calcula las relaciones ancho/espesor: b/t = 40.475/3.175 =12.75 1.40√E⁄Fy = 1.40 ∗ √200000⁄250 = 39.60 Se puede concluir que la sección se clasifica como no esbelta porque se cumple la ecuación 1. A4.1.2Cálculo de la relación de esbeltez Los arriostres deben cumplir con la relación de esbeltez de la ecuación (2). ⁄ (2) kL 𝑟 < 200 Donde la longitud efectiva es KL: 124 kLx⁄𝑟𝑥 = 1.0 ∗ (1857.5/2)/9.93 = 93.5 kLy⁄𝑟𝑦 = 1.0 ∗ (1857.5)/17.64 = 105.3 Se concluye que la relación de esbeltez cumple con el requisito de elementos con solicitaciones a compresión. A4.1.3Resistencia a tracción La resistencia de diseño en tracción de los arriostres es de acuerdo a la ecuación (3). P𝑅 = 𝜙F A (3) y g ϕ = 0.90 Hallamos el valor de PR: 𝑃𝑅 = 0.9 ∗ 250 ∗ 443.5 ≈ 99.8 𝑘𝑁 ≈ 10 175.5𝑘𝑔𝑓 Se verifica luego que la resistencia de diseño en tracción de los arriostres es mayor de la resistencia requerida proveniente del análisis de carga. 𝑃𝑢 = 6 260𝑘𝑔𝑓 ≤ 𝑃𝑅 = 10 175.5𝑘𝑔 A4.1.4Resistencia a compresión La resistencia de diseño en compresión está basada en el estado límite de pandeo por flexión y hallado mediante la ecuación (4). 𝑃𝑅 =ɸ𝐹𝑐𝑟𝐴𝑔 (4) El esfuerzo crítico, Fcr, se determina con la ecuación (5). Previamente se calcula el valor de: 4.71 E Fy Resultando: 4.71√𝐸⁄𝐹𝑦 = 4.71 ∗ √200 000/250 = 133.2 125 Cuando KL F  4,71 E (ó y  2,25 ) r Fy Fe  Fy  F 0,658Fe F ( 5) cr  y   Siendo Fe el esfuerzo de pandeo elástico y calculado como indica la ecuación (6). 2 F  E e 2 ( 6)  KL     r  Por lo tanto, se procede a calcular Fcr: 𝜋2 ∗ 200 000 𝐹𝑒 = = 225.8𝑀𝑃𝑎 93.52 250 𝐹𝑐𝑟 = 0.658 225.8 ∗ 250 = 157.3𝑀𝑃𝑎 Y por último se calcula la resistencia a compresión: 𝑃𝑅 = ∅𝐹𝑐𝑟𝐴𝑔 = 0.9 ∗ 157.3 ∗ 443.5 = 62.8 𝑘𝑁 ≈ 6 402𝑘𝑔𝑓 Se verifica luego que la resistencia a compresión de los arriostres es ligeramente mayor de la resistencia requerida proveniente del análisis de carga. 𝑃𝑢 = 6 400𝑘𝑔𝑓 ≈ 𝑃𝑅 = 6 402𝑘𝑔 Finalmente, la sección es adecuada para todos los arriostres. A4.2 Diseño de las conexiones de los arriostres El diseño de las conexiones se realizó para que la cargas axiales de las riostras se transfieran íntegramente a los cordones de soldadura, que conectan las arriostras con las placas de los nudos y éstas con las columnas y las vigas de acero (en los extremos de la riostra) y en la intersección de las diagonales (zona central de la riostra). A4.2.1 Resistencia de componentes en tracción La resistencia de diseño, ϕRn, de los elementos de conexiones bajo solicitaciones a tracción será el menor valor obtenido de los estados límites de fluencia y rotura en tracción. 126 (a) Resistencia en fluencia en tracción (ϕ = 0.9): Rn = Fy Ag = 250 ∗ 443.5 ≈ 110.9𝑘𝑁 (b) Rotura en tracción (ϕ = 0.75): (7) Rn = Fu Ae Donde: ( 8) Ae = 𝑈𝐴𝑛 El valor de U es calculado como: ?̅? 𝑈 = 1 − ( 9) 𝑙 De la ecuación (9) se deben calcular dos incógnitas, los valores de ?̅? y 𝑙.  El valor de ?̅? se calcula con la ecuación (10). B2 + 2BH ( 10) x = 4(B + H) 12 + 2*1*2 x = = 0.42" ≈ 10.58𝑚𝑚 4(1 + 2)  El valor de 𝑙 definido como la longitud de la soldadura se calcula de acuerdo al tipo de unión. Se propuso soldaduras tipo filete y se determina 𝑙 de la siguiente manera: ∅𝑅𝑛 ≥ 𝑅 (11) 𝑢 La resistencia nominal, Rn, de la soldadura de filete se basa en la suposición de que la falla de la soldadura es por corte en su sección crítica (área efectiva). 127 ( 12) Rn = Fnw Awe Donde: Fnw = 0.60 FEXX ( 13) FEXX = Resistencia de clasificación del metal del electrodo. Awei = Área efectiva de garganta de soldadura del elemento i-ésimo de soldadura. Se seleccionó electrodos de arco protegido E70xx para todas las soldaduras de filete. Por tanto, F70xx = 70ksi = 482MPa. Y se emplearon en las 4 zonas señaladas: El área efectiva de la garganta de la soldadura es determinada como el producto de la dimensión de la garganta, Te, por la longitud de la soldadura, 𝑙. Awei = Te *l = 0.707ws*l ( 14) El tamaño mínimo de la soldadura, ws, se determinó de acuerdo con la Tabla 10.2.4 de la Norma E.090, en el cual para un espesor del elemento unido de 1/8" (HSS 2x1x1/8") o 3.175mm le corresponde un ws min= 3mm. Por tanto, la longitud de cada cordón de soldadura es: 128 0.75 ∗ (0.60 ∗ 482) ∗ (0.707 ∗ 𝑤𝑠 ∗ 4𝑙) ≥ 0.9 ∗ 110.9 ∗ 1000 𝑤𝑠𝑙 ≥ 162.70𝑚𝑚 2 Si 𝑤𝑠 = 3𝑚𝑚 (valor nominal) entonces 𝑙 = 51𝑚𝑚. Se optó para todas las soldaduras por un 𝑤𝑠 = 3𝑚𝑚 (1/8") y 𝑙 = 125𝑚𝑚. Después se hizo una verificación por corte en el área de contacto entre el cordón y el material base (placa). ∅𝑅𝑛(𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎) ≤ ∅ 𝑅𝑛(𝑏𝑎𝑠𝑒) ( 15) 𝑇𝑒(0.60𝐹𝐸𝑥𝑥) ≤ 𝑡 (0.60𝐹𝑢) 𝑇𝑒𝐹𝐸𝑥𝑥 ≤ 𝑡 𝐹𝑢 𝑡 ≥ 𝑇𝑒𝐹𝐸𝑥𝑥/𝐹𝑢 Hallamos el espesor del material base (e): 482 𝑡 ≥ 0.707 ∗ 3 ∗ ≈ 2.5𝑚𝑚 < 3𝑚𝑚 400 𝑒 ≥ 2 ∗ 𝑡 = 2 ∗ 2.5 ≈ 5.0𝑚𝑚 Se escogió una plancha de acero A36 de espesor 3/16" ≈ 5mm (valor nominal). La abertura necesaria para el material base es 5mm + 2mm = 7mm. Luego se calculó el factor U de la ecuación (9): 10.58 𝑈 = 1 − ≈ 0.92 125 Y los siguientes parámetros: 𝐴𝑛 = 443.5 − 2 ∗ 7 ∗ 5 ≈ 373.5𝑚𝑚 2 𝐴𝑒 = 0.9 ∗ 373.5 ≈ 336.15𝑚𝑚 2 Finalmente, la resistencia nominal por rotura en tracción: Rn = Fu Ae = 400 ∗ 336.15 ≈ 134.5𝑘𝑁 129 Para determinar la resistencia de diseño, ϕRn en tracción fue gobernado por la resistencia en fluencia en tracción, o por el menor valor de: ϕRn = ∅ Fy Ag ≈ 99.8𝑘𝑁 ≈ 10 175.5𝑘𝑔𝑓 ϕRn = ∅ Fu Ae ≈ 99.8𝑘𝑁 ≈ 12 340𝑘𝑔𝑓 Por tanto, ϕRn = 10 175.5𝑘𝑔𝑓 ≥ Pu (tensión). Figura A3.2.1: Detalle de la conexión de un arriostre. Las unidades están en milímetros A4.3 Diseño de la viga de acero El diseño de las vigas de acero fue realizado de acuerdo con las especificaciones de la Norma E.090 y AISC 360 – 10 usando el método LRFD. Las vigas estuvieron sometidas a flexión uniaxial respecto a su eje mayor. Del análisis elástico de la estructura se encontró que la viga de acero superior está sometida a flexión y las cargas fueron amplificadas por factores de carga muerta y sismo y los valores son mostrados en la Tabla A4.3.1. Tabla A4.3.1: Cargas factorizadas de las vigas Eje 1 Eje 3 Unidad Mu (-) 1.68 1.56 kN.m Mu (+) 1.65 1.51 kN.m Vu (-) 2.44 2.27 kN Vu (+) 2.43 2.26 kN 130 Se propuso un perfil W4x13 de acero A36 como se muestra en la Figura A4.3.1: Perfil W4x13 con las propiedades mostradas en la Tabla A4.3.2. Tabla A4.3.2: Propiedades del perfil W4x13 Propiedad As tw bf tf rx ry Ix Iy Sx Sy Zx Zy Unidad mm2 mm mm mm mm mm mm4 mm4 mm3 mm3 mm3 mm3 Valor 2470.96 7.11 103.12 8.76 43.69 25.40 4703415.11 1606653.30 89473.37 31135.42 102910.76 47850.23 Figura A4.3.1: Perfil W4x13 La longitud de cada viga son idénticas e iguales a L = 1450mm. El diseño corresponde a la viga superior del eje 1. Adicionalmente a las propiedades de la sección, las características del acero A36 son:  Esfuerzo de fluencia (Fy) = 250MPa  Módulo de elasticidad (Es) = 200 000MPa A4.3.1. Verificación de la relación ancho/espesor Para solicitaciones de flexión la sección puede clasificarse como compacta si cumple la ecuación (16) y (17).  Alas (16) b/t < 𝝀𝑝= 0.38√E⁄Fy 131 Se calcula las relaciones ancho/espesor: b/t ≈ 5.88 0.38√E⁄Fy = 0.38 ∗ √200000⁄250 ≈ 10.75 Se puede concluir que las alas de la sección se clasifican como compacta porque se cumple la ecuación 16.  Alma h/𝑡𝑤 < 𝝀 (17) 𝑝= 3.76√E⁄Fy Se calcula las relaciones ancho/espesor: h/𝑡𝑤 ≈ 12.39 3.76√E⁄Fy = 3.76 ∗ √200000⁄250 ≈ 106.35 Se puede concluir que el alma de la sección se clasifica como compacta porque se cumple la ecuación 17. Y por tanto la sección se clasifica como compacta. A4.3.2. Cálculo de las longitudes límites Lp y Lr Las longitudes límites Lp y Lr se determinan a continuación: E Lp = 1,76 r (18) y√ Fy 132 2 2 E Jc  Jc   0,7Fy  (19) Lr 1,95rts     6,76 0,7F S h y x o  S h   x o   E   Para la longitud LP : 𝐸 𝐿𝑝 = 1.76 𝑟𝑦√ ≈ 1264𝑚𝑚 𝐹𝑦  Para la longitud Lr : ℎ0 = ℎ − 𝑡𝑓 ≈ 96.90 𝑚𝑚 𝐼𝑦ℎ 2 0 𝐶𝑤 = ≈ 3.77𝑥10 9𝑚𝑚6 4 La constante de alabeo calculada es muy aproximada a la que proporciona el manual AISC. √𝐼𝑦𝐶𝑤 𝑟2𝑡𝑠 = ≈ 870𝑚𝑚 2 𝑆𝑥 𝑟𝑠𝑡 ≈ 29.50𝑚𝑚 Finalmente se tiene que: 𝐿𝑟 ≈ 8010𝑚𝑚 A4.3.3. Cálculo de las longitudes no arriostradas Lb Se optó por colocar conexiones empernadas para la unión de la viga de acero con la viga de concreto. Se dispuso colocar 5 pernos equidistantes a lo largo de la viga obteniendo una longitud repetida de 3390mm. 𝐿𝑏 ≈ 3390𝑚𝑚 133 A4.3.4. Cálculo de Mp para el momento plástico El momento plástico de la viga está dado por: 𝑀𝑝 = 𝐹 (20) 𝑦𝑍𝑥 𝑀𝑝 ≈ 35.73 𝑘𝑁 − 𝑚 A4.3.5. Cálculo del factor de modificación por pandeo lateral – torsional, Cb El cálculo del coeficiente de flexión obedece a la siguiente expresión: 12.5 𝑀𝑚𝑎𝑥 𝐶𝑏 = (21) 2.5 𝑀𝑚𝑎𝑥 + 3 𝑀𝐴 + 4 𝑀𝐵 + 3 𝑀𝐶 𝐶𝑏 ≈ 1.10 A4.3.6. Cálculo de la resistencia en flexión, ɸMn Se ha visto que la sección es compacta, y a continuación se selecciona la expresión que nos permita calcular Mn. Cuando Lp < Lb ≤ Lr:   L  L  M n Cb M p  M p  0,7FyS  b p  M (22) x   p   Lr  Lp  Se verifica que Lp < Lb ≤ Lr 1264 < 3390 < 8010 Para este valor se tiene que el momento nominal y el momento resistente fueron: 𝑀𝑛 ≈ 24.81 𝑘𝑁 − 𝑚 ≤ 𝑀𝑝 = 25.73𝑘𝑁 − 𝑚 𝜑 𝑀𝑛 = 22.33 𝑘𝑁 − 𝑚 Para la sección elegida se tiene que la relación entre el momento último y el momento resistente de la columna fue: 134 𝑀𝑢 1.68 = ≈ 0.10 < 1 𝜑𝑀𝑛 22.33 A4.3.7. Revisión del cortante máximo La resistencia en corte del alma de la viga no rigidizada se realiza de acuerdo con los estados límites de fluencia en corte y pandeo en corte, es: 𝜑𝑉𝑛 = 0.6𝐹 𝐴 (23) 𝑦 𝑤𝐶𝑣 La relación ancho/espesor del alma del perfil W4x13 es: ℎ = 12.39 𝑡𝑤 Para almas de simetría doble, el coeficiente de corte del alma, Cv, se determina de la siguiente manera: Cuando h tw 1,10 kv E Fy : el valor de Cv = 1.0 El coeficiente de pandeo por corte del alma, Kv, es igual a 5 para almas no rigidizadas transversalmente y h/tw < 260. Por tanto: ℎ 𝑘𝑣𝐸 ( 24) ≤ 1.10 ∗ √ 𝑡𝑤 𝐹𝑦 ℎ ≤ 69.57 𝑡𝑤 Cumple la relación ancho/espesor del alma. Por último, la resistencia en cortante es: 𝜑𝑉𝑛 = 0.9 ∗ 0.6 ∗ 250 ∗ (105.66 ∗ 7.11) ∗ 1/10 3 ≈ 125𝑘𝑁 Para la sección elegida se tiene que la relación entre el cortante último y el cortante resistente de la viga fue: 𝑉𝑢 2.44 = = 0.02 < 1 𝜑𝑉𝑛 125 135 A4.4 Diseño de la columna de acero Del análisis elástico de la estructura se encontró que las columnas de acero están sometidas a flexión uniaxial y las cargas fueron amplificadas por factores de carga muerta y sismo y los valores son mostrados en la Tabla A4.4.1: Cargas máximas factorizadas de las vigas. Tabla A4.4.1: Cargas máximas factorizadas de las vigas Eje 1 Eje 3 Unidad Mu (-) 1.67 1.54 kN.m Mu (+) 1.62 1.50 kN.m Vu (-) 1.26 1.16 kN Vu (+) 1.29 1.19 kN Se propuso un perfil W4x13 de acero A36 como se muestra en la Figura A4.3.1: Perfil W4x13 con las propiedades mostradas en la Tabla A4.3.2. La longitud de cada columna son idénticas e iguales a L = 1450mm. El diseño corresponde a cualquiera de las columnas del eje 1. Determinamos anteriormente que el perfil W4x13 es de sección compacta. Además, las longitudes limites fueron Lp = 1264mm y Lr = 8010mm. A4.4.1Cálculo de las longitudes no arriostradas Lb Se optó por colocar conexiones empernadas para la unión de las columnas de acero con las columnas de concreto. Se dispuso colocar 5 pernos equidistantes a lo largo de las columnas obteniendo una longitud repetida de 3390mm. 𝐿𝑏 ≈ 3390𝑚𝑚 A4.4.2Cálculo del factor de modificación por pandeo lateral – torsional, Cb Se determinó mediante la ecuación (21) y resulta: 136 12.5 𝑀𝑚𝑎𝑥 𝐶𝑏 = ≈ 1.11 2.5 𝑀𝑚𝑎𝑥 + 3 𝑀𝐴 + 4 𝑀𝐵 + 3 𝑀𝐶 A4.4.3Cálculo de la resistencia en flexión, ɸMn Se tiene que la longitud no arriostrada se encuentra en el rango de: Lp < Lb ≤ Lr 1264 < 3390 < 8010 Para este valor se tiene que el momento nominal y el momento resistente fueron:   L  L  M n Cb M p  M p  0,7FyS  b p  x  M  L  L  p   r p  𝑀𝑛 ≈ 25.16 𝑘𝑁 − 𝑚 ≤ 𝑀𝑝 = 25.73𝑘𝑁 − 𝑚 𝜑 𝑀𝑛 = 22.65 𝑘𝑁 − 𝑚 Para la sección elegida se tiene que la relación entre el momento último y el momento resistente de la columna fue: 𝑀𝑢 1.67 = ≈ 0.10 < 1 𝜑𝑀𝑛 22.65 A4.4.4Revisión del cortante máximo La resistencia en corte del alma de la columna no rigidizada se realiza de acuerdo con los estados límites de fluencia en corte y pandeo en corte, es determinada por la ecuación (23): 𝜑𝑉𝑛 = 0.6𝐹𝑦𝐴𝑤𝐶𝑣 Resultando la resistencia en cortante: 𝜑𝑉𝑛 = 0.9 ∗ 0.6 ∗ 250 ∗ (105.66 ∗ 7.11) ∗ 1/10 3 ≈ 125𝑘𝑁 Calculada anteriormente para la viga. Para la sección elegida se tiene que la relación entre el cortante último y el cortante resistente de la columna fue: 𝑉𝑢 1.29 = = 0.01 < 1 𝜑𝑉𝑛 125 137 A4.5 Revisión de la conexión entre el marco de concreto y de acero Se realizó la verificación de la condición de un nudo confinado y la resistencia al cortante del nudo de acuerdo con la Norma E.060. A4.5.1 Revisión del nudo por confinamiento La Norma considera que un elemento (viga) proporciona confinamiento al nudo si al menos las tres cuartas partes de la cara lateral del nudo están cubierta por el elemento que llega al nudo. Se hizo el análisis en la dirección de la viga V – 1 para la columna C -1 y se calculó la siguiente relación: 𝑏 𝑏𝑣 ( 25) = ≤ 0.75 ℎ ℎ𝑣 Se determinan los términos de bv y hv de la manera como se muestra en la Figura A4.5.1. Figura A4.5.1: Unión de C – 1 y V – 1 Resultando: 𝑏 𝑏𝑣 12.5 = = = 0.56 ≤ 0.75 ℎ ℎ𝑣 22.5 Por tanto, el nudo de la figura mostrada no está confinado. 138 A4.5.2 Revisión de la resistencia del nudo La resistencia nominal del nudo, Vn, no debe ser mayor que la expresión mostrada: (26) 𝑉𝑅 = 3.2√𝑓 ′𝑐 𝐴𝑗 Donde Aj es el área efectiva del nudo y se determina de la manera como se muestra en la Figura A4.5.2. Figura A4.5.2: Área efectiva en el nudo  Cálculo del área efectiva del nudo El área efectiva del nudo en la dirección de análisis, se determina calculando el producto de la profundidad del nudo (he) por su ancho efectivo (be). La Norma E.060 plantea para el ancho efectivo tomar el menor de los dos casos: (a) El ancho de la viga más la profundidad del nudo. (b) Dos veces la distancia del eje longitudinal de la viga al borde más cercano de la columna. En el caso (a), be resultó: be = 12.5 + 12.5 = 25cm En el caso (b), be resultó: 139 be = 2*6.25 = 12.5cm De los dos casos, el menor ancho efectivo es be = 12.5cm. Y el área efectiva igual a: Aj = be * he = 12.5*12.5 = 156.25cm2  Cálculo de VR Se calculó el valor límite de la resistencia nominal Vn del nudo: 𝑉𝑅 = 3.2√175 ∗ 156.25 ≈ 6.61𝑇𝑜𝑛  Cálculo del cortante en el nudo, VU Se calculó por equilibrio de las fuerzas horizontales que concurren al nudo, como se indica la Figura A3.5.3. 𝑉𝑢 (𝑋𝑋) = 1.25 ∗ 𝑓𝑦(𝐴𝑠1 + 𝐴𝑠2) − 𝑉𝑐𝑜𝑙 (27) Figura A3.5.3: Fuerzas para el cálculo del cortante en el nudo 𝑉𝑢 (𝑋𝑋) = 1.25 ∗ 𝑓𝑦(𝐴𝑠1 + 𝐴𝑠2) − 𝑉𝑐𝑜𝑙 Calculamos Vu = 1.25*4200*(2.0+1.50) – 2620 ≈ 15 755kg Se muestra que Vu > 𝑉𝑅 no cumple que el concreto resista el cortante. Anexo V Registro fotográfico de la construcción del módulo 780 - Pre, reforzado 140 141 Fotos 1, 2, 3 y 4. Proceso constructivo del Módulo reforzado. Encofrado de Vigas, Columnas y hormigonado de primer y segundo techos Fotos 5 y 6. Detalle de la secuencia de construcción de “Tabiques de albañilería”, con arriostres de borde Fuente: Wilson Silva 142 Fotos 7 y 8. Detalle de la secuencia de construcción de “Tabiques de albañilería”, con arriostres de borde de concreto armado, tanto en el primer piso, como en el segundo piso, con juntas de separación Fotos 9, 10, 11 y 12. Elementos metálicos usados en la preparación de Marcos de Acero con Arriostres concéntricos, para implementar el “Sistema de Reforzamiento” del Módulo reforzado Fuente: Wilson Silva 143 Fotos 13, 14, 15, 16 y 17. Materiales para unir elementos metálicos de refuerzo y para fijarlos al pórtico: Electrodos de soldadura, Gel epóxico para sujeción de anclajes y Sistema de inyección (de aplicación) Fuente: Wilson Silva 144 Fotos 18, 19, 20, 21 y 22. Ubicación los orificios realizados en la cara interior de las columnas y vigas, para sujetar el marco metálico de reforzamiento. Broca de perforación de 8mm. Fuente: Wilson Silva 145 Fotos 23. Al perforar las columnas, se presentaron dificultades, debido a la ubicación del refuerzo de la columna, razón por la que se tuvo que re-perforar. Sellado de orificios con material epóxico, para sujetar el marco metálico mediante pernos de anclaje. Fotos 24 y 25. Proceso de sujeción y de soldado del marco metálico de reforzamiento del Módulo reforzado. Fuente: Wilson Silva 146 Fotos 26, 27, 28 y 29. Detalle de las uniones soldadas y de ubicación de los pernos de anclaje del marco metálico en columnas y vigas del Módulo reforzado Fotos 30 y 31. Uniones soldadas, terminadas y protegidas con base anti-corrosiva, sujetas al Módulo reforzado, en la parte superior. Fuente: Wilson Silva 147 Fotos 32, 33 y 34. Uniones soldadas, terminadas y protegidas con base anti-corrosiva, sujetas al Módulo reforzado, en la base del pórtico. Además, detalle de la unión cartelada entre arriostres diagonales. Fuente: Wilson Silva 148 Fotos 35 y 36. Junta (huelgo) apreciable entre superficie exterior de las alas del perfil metálico y la superficie de concreto, debido a imperfecciones de “planitud” en caras interiores de vigas y columnas de concreto. Este hecho, requiere atención. Fotos 37 y 38. Reforzamiento con marco metálico, adherido al Módulo reforzado, en condición final, previo al ensayo de simulación sísmica. Fuente: Wilson Silva 149 Fotos 39 y 40. Detalles de “juntas rebajadas” entre columnas y tabiques de albañilería. Fuente: Wilson Silva Bibliograf́ıa Banco Mundial (2014). Reporte 2: Bases y criterios de Priorización para el plan de reforzamiento estructural de edificaciones en locales escolares en Lima y Callao. Lima, Perú. CISMID (2015). Producto 2: Desarrollo de tecnoloǵıas constructivas y prototipos de edificaciones seguras. Estudio 2: Comparación del comportamiento frente a cargas ćıclicas de muros de albañileŕıa informal sin reforzar y reforzada. Technical report, Lima, Perú. Crisafulli, F. (2012). Diseño sismorresistente de construcciones de acero. INEI (2013a). El Censo de Infraestructura Educativa (CIE). Technical report, Instituto Nacional de Estad́ısticas e Investigaciones de Perú (INEI), Lima, Perú. INEI (2013b). Glosario de términos. Censo de infraestructura Educativa. Technical report. Muñoz, A., Blondet, M., Rafael, A., Jurado, C., Navarro, L., Astorga, M., and Quintana, U. (2007). Reducción de la vulnerabilidad śısmica de edificaciones escolares peruanas en alto riesgo. Technical report. Muñoz, A. and Tinman, M. (2001). El sismo de Arequipa del 2001 y la vulnerabilidad de las edificaciones peruanas. Lima. NTE E.030 (2016). Norma Técnica de Edificación NTE - E.030 Diseño Sismorresitente. Lima: Ministerio de Construcción, Vivienda y Saneamiento - SENCICO. NTE E.060 (2009). Norma Técnica de Edificación NTE - E.060 Concreto Armado. Technical report. NTE E.090 (2016). Norma Técnica de edificación NTE - E.090 Estructuras Metálicas. Technical report. Oviedo (2001). Métodos de reforzamiento en edificios de concreto armado. Technical report, OVIEDO INGENIERIA EIRL, Lima, Perú. Oviedo, S. (2006). Reforzamiento śısmico De colegios de concreto armado utilizando disipadores de energia. Technical report, Lima, Perú. 150 151 Tantaleán, L. (2002). Reforzamiento en fibras de carbono. Technical report, Constructora RF SA, Lima, Perú. Terán, A. (2006). Proyecto de reparación de escuela tipo CAPFCE en zonas śısmicas C y D. Technical report, Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco. Tomaževič, M. and Velechovsky, T. (1992). Some aspects of testing small- scale masonry building models on simple earthquake simulators. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 21(11):945–963.