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METODO DE ANALISIS Y DISEÑO DE LOSAS MASIZAS Y FALLAS TIPICAS DEBIDO A SISMOS

AUTORES ESNAIDER PALMEZANO CAROLINA PARRA LAURA VILLALBA KAROL MONTES

PRESENTADO A ING. MARIA CLAUDIA ROMERO

ESTRUCTURAS II

UNIVERSIDAD DE LA COSTA CUC FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERÍA CIVIL BARRANQUILLA SEP 25 2012

INTRODUCCIÓN El presente trabajo monográfico está orientado en el análisis y diseño estructural de losas macizas y fallas típicas debido a sismos. La presente monografía busca aborda la estructuración y pre dimensionamiento, metrado de cargas y diseño de losas; Esta sección se enfoca en el estudio de los sistemas, los cuales son conocidos en nuestro país con el nombre de Losas o Placas. Las losas son los elementos estructurales encargados generalmente de recibir de forma directa las cargas de funcionamiento de una edificación, es decir, estas soportan el peso de las personas, objetos, materiales, maquinarias, etc., que estarán dando uso a la misma, y así trasmitirlo a los demás elementos estructurales que llevarán las cargas hasta el suelo de fundación. Generalmente son considerados elementos bidimensionales debido a que tienen una dimensión mucho más pequeña que las otras dos. El ancho y el largo, de dimensiones parecidas, forman un plano perpendicular al espesor de dimensión mucho menor. Las cargas que actúan sobre las losas son esencialmente perpendiculares a su plano principal, es por ello que su comportamiento está dominado por el efecto de flexión de dicho plano. Cumplen un papel muy importante en el desempeño antisísmico de la estructura, ya que se deben comportar como un diafragma rígido que no sufre deformaciones en las direcciones paralelas a su plano principal y une a todos los demás elementos en su mismo nivel de manera que se garantice que todos los elementos de un piso tendrán desplazamientos laterales de igual magnitud cuando la estructura sea atacada por un sismo. Las losas son el primer elemento a ser diseñado y calculado en la estructura y aportan la mayor parte del peso de la misma tanto por las cargas verticales que resisten como por su peso propio por lo que pequeñas diferencias en las dimensiones significan grandes diferencias en el peso. Durante el proceso constructivo son el último elemento a ser construido por nivel, y la manera como se lleve a cabo su elaboración puede ser determinante en su posterior desempeño, razón por la que se debe ser muy cuidadoso en éste aspecto.

METODO DE ANALISIS Y DISEÑO DE LOSAS MACIZAS El siguiente diagrama de flujo nos permite seguir una serie de pasos que han sido ordenados en forma esquemática para facilitar el proceso de análisis y diseño de una losa. Como se verá más adelante cada paso depende del anterior, por lo que debemos seguir a cabalidad el orden y la secuencia de los mismos. A lo largo de éste capítulo se detallan los procedimientos y métodos que se involucran en cada uno de estos pasos, haciendo referencia a las pautas que establece la Norma para cada uno de ellos.

En el análisis y diseño de losas hay una gran cantidad de conceptos y fundamentos teóricos involucrados que hemos considerado pertinente mencionarlos para facilitar el entendimiento de los procedimientos que se llevan a cabo durante dicho proceso. Durante muchos años el cálculo estructural estuvo basado en la Teoría de Línea Recta también conocida como Teoría de los Esfuerzos Admisibles, en la que los

elementos se diseñaban para soportar un esfuerzo admisible menor al de rotura (máximo), rango en el cual las relaciones esfuerzos-deformación pueden considerarse lineales (Ley de Hooke, de allí el nombre de “Línea Recta”).Para el diseño se puede decir que las cargas actúan en forma uniformemente distribuida sobre la totalidad del panel. El deterioro de la infraestructura, como puentes, ha sido uno de los desafíos muy importantes que se presentan a tantos los diseñadores como los propietarios de tales servicios. El acontecimiento sostenible y un ambiente del comercialismo creciente han resultado en un requisito para los medios más exactos del análisis estructural. La valoración de puente es uno donde esto es particularmente relevante área. Ha sido conocido durante algún tiempo que las lajas de cubierta de puente tienen fuerza mejorada inherente debido a la presencia de se arquear o movimiento de membrana compresivo (CMA) pero solamente en los últimos años ha habido un poco de aprobación de un tratamiento sensato de este fenómeno para diseño y propósitos de valoración. Para usar los beneficios de arquear la acción, este trabajo presenta los resultados de pruebas llevadas sobre una viga de concreto reforzado y puente de laja en Irlanda del Norte que incluyeron tipo de refuerzo nuevo y puesto. La investigación fue destinada a extender pruebas del laboratorio previas sobre paneles de borde de cubierta de puente 1/3 balanza. Los anchos de crack mesurados y las desviaciones han sido comparados con los requisitos de clave actual. FALLAS TIPICAS DEBIDO A SISMOS La observación de la fallas producida en los sismos en las estructura dañada permite llegar a la conclusión general que, en la mayoría, provienen de sectores en que se produce cambios bruscos de la propiedades resistentes y principalmente de las rigideces (columnas cortas, vigas muy peraltada), o de problemas de construcción. Las fallas más frecuentes han sido: 1) Edificios que han colapsado debido a tener elementos con poca capacidad resistente en una dirección, como vigas chatas y columnas con poco peralte en la denominación dirección secundaria. 2) Columnas colapsadas al tenerse edificios porticados con vigas muchos más fuertes (resistentes) que las columnas; teniendo viga muy peraltadas se consigue tener mayor rigidez lateral, pero si la columnas son más débiles que la vigas, se forman rótulas plástica en su extremos antes que en los extremos de la vigas, formándose mecanismos con gran deformación lateral que ocasionan fallas prácticamente irreparables.

3) Columnas falladas por efecto de tabiques de ladrillo con ventanas altas y que forman la denominación columnas cortas. 4) Edificios con aberturas muy importantes en la losa de los pisos y que ocasiona un comportamiento no unitario de la estructura; caso de edificios con puentes que unen dos zonas de su planta o con losas que no permiten aportar rigidez como para considerar la existencia de un diafragma rígido. 5) Edificios con formas rectangulares muy alargadas, donde la hipótesis de diafragma rígido para la losas pierde validez y donde los efectos de la torsión accidental son importante. La Tectónica de Placas implica una continua deformación de la Litosfera (y de la corteza superior frágil). Esta dinámica produce un campo de esfuerzos tectónicos Íntimamente ligado a las estructuras activas que generan sismicidad: las fallas. El proceso de fracturación puede analizarse desde distintas perspectivas: Mecánica de Rocas, Sismología, Geología Estructural, modelado (análogo y numérico), etc. En estos apuntes abordamos el estudio del estado de esfuerzos tectónicos (activos o paleo esfuerzos), a partir del análisis de fallas desde las distintas ideas complementarias que aportan estas disciplinas.

CLASIFICACIÓN DE LOSAS MACIZAS El diseño de losas macizas es similar para emitir el diseño con la excepción siguiente: -Normalmente no requieren el refuerzo de compresión. -No se aplica usualmente el corte de refuerzo. -En el cálculo es aplicado una unidad de aliento. Las losas macizas pueden ser clasificado en dos: Loza de una dirección y Lozas de dos direcciones.

Losas de una dirección Si una de las exigencias es condescendida: 1. Apoyado en dos bordes. 2. Proporción de lado más largo a lado más corto (Ly/Lx) más de 2. Así, la loza de una sola dirección es considerada como: El refuerzo de una losa maciza es diseñado en una sola dirección. Figura 1. Losa maciza apoyada en dos bordes

Lozas macizas de dos direcciones -

La proporción de lado más largo al lado más corto (Ly/Lx) es menos que o igual a 2.0. Loza maciza de dos direcciones

Sin lugar a dudas, los sismos son los verdaderos examinadores de las estructuras, justamente este estado de carga es el de mayor cuidado durante el proceso de análisis y diseño estructural de un edificio, es que nuestro país se encuentra dentro de una zona de alta sismicidad por tanto corresponde considerar un “Diseño Sismo-resistente” al momento de realizar el diseño estructural de todo edificio, esto implicará diseñar la estructura no sólo para resistir las cargas verticales, sino para soportar además al menos las fuerzas laterales de efectos sísmicos mencionadas en los códigos de análisis y diseño. Es frecuente en las construcciones de nuestro medio, levantar en las losas de entrepiso, masillados o contrapisos de espesor considerable, con el propósito de nivelar los pisos y dejar los niveles justos para la colocación de los acabados definitivos. Corregir fallas en ocasiones el contrapiso o masillado de piso obedece únicamente a dejar los niveles listos y apropiados para la instalación de los acabados finales, pero en ocasiones esta actividad va encaminada a corregir fallas constructivas demostradas a través de desniveles notables en el piso, especialmente en las losas de entrepiso y escaleras. Desde luego que este incremento en el espesor del masillado de piso implicará un aumento en la masa y consecuentemente en el peso de cada losa de entrepiso. Y posiblemente no afecte significativamente como acción de carga vertical (en algunas ocasiones). Es importante mencionar que las fuerzas sísmicas laterales están en función del peso de la edificación, es decir a mayor peso existente en el edificio, se tendrá mayor valor en la acción de las fuerzas sísmicas. Desde luego que un buen cálculo estructural contempla estos pesos en la estimación de las fuerzas sísmicas; sin embargo, a veces por fallas constructivas se ve necesario construir masillados de piso para corregir niveles que posiblemente generaran sobrecargas que no fueron contempladas en el análisis estructural, ni como carga vertical, ni en la determinación de las fuerzas sísmicas, y con un comportamiento dinámico con fuerzas sísmicas superiores a las consideradas en el cálculo y con

grandes posibilidades de sufrir daño estructural. De ahí la importancia de realizar un control estricto a la calidad de construcción de las edificaciones y no sólo conformarse con obtener un buen diseño. DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS SÍSMICAS

Cálculo del Peso del Edificio: El sismo tiene la característica de producir aceleraciones instantáneas, aceleraciones que generan grandes fuerzas, y que afectan a los componentes de la estructura del edificio de modo diferente a la acción de las cargas gravitatorias. Estas fuerzas sísmicas dependen linealmente de la masa del edificio y se expresan con la fórmula: F=Mx A Donde: F = fuerza inducida por la aceleración A = aceleración producida por el sismo M = masa del edificio Por este motivo es necesario conocer el peso del edificio, que incluye el peso de la estructura, cierres, pisos, revestimientos, etc. Debe considerarse el peso de todo lo fijado permanentemente al edificio. Las cargas móviles se computan en un porcentaje del total de sobrecarga prevista para el análisis estático. Los porcentajes a usar, según el tipo de sobrecarga, están definidos en el Código de Construcciones Sismo Resistentes. El peso se calcula piso por piso, computando el peso del entrepiso (losa), vigas, la mitad de la longitud de los tramos de columnas sobre y bajo cada entrepiso, como se indica en las figuras. Computados los volúmenes de los componentes fijos del edificio, estructurales o no, multiplicados por los pesos específicos, se obtiene el peso del edificio. A este peso debe sumarse la sobrecarga reglamentaria según el código, que se incluye en el análisis de las cargas sísmicas. Resumiendo, el peso a considerar está compuesto por: - Peso estructura - Peso muros, tabiques divisorios, cierres. - Peso pisos y revestimientos

- Peso de otros elementos fijos (maquinarias, etc) - Peso agua en depósitos de reserva. - Porcentaje sobrecarga según código. En los edificios comunes, es suficiente agrupar las cargas en los niveles de entrepisos. Se incluirá el peso propio del entrepiso, muros y otros elementos existentes en su zona de influencia. El centro de gravedad del conjunto se supondrá ubicado en el plano del entrepiso.

El peso de cada entrepiso se calcula con: Qi = Gi + p x Pi

siendo:

Qi = Peso total del piso. Gi = carga permanente que actúa en el piso. Pi = carga accidental que actúa en todo o en parte del entrepiso. p = coeficiente de participación de la sobrecarga accidental. Los valores del coeficiente [p] son: p = 0, para azoteas y techos inaccesibles p = 0,25, para locales donde no es usual la aglomeración de personas o cosas. (Edificios de departamentos u oficinas, hoteles, etc.) p = 0,50 para locales donde es usual la aglomeración de personas o cosas. (Templos, museos, bibliotecas, cines, teatros, etc.) p = 1, Tanques de agua, silos y otro tipo de recipiente

Cargas Sísmicas verticales Solo es necesario tener en cuenta la acción sísmica vertical en las construcciones o en partes de las mismas, que tienen una sola posibilidad de falla por acciones verticales, o que pueden amplificar notablemente la acción sísmica en dirección vertical o en las que se pueden originar inversiones en el sentido de las solicitaciones para las cuales el material pudiera resultar incompetente. En el caso de edificios comunes: - Voladizos, marquesinas, balcones, etc. - Estructuras cuyo periodo de vibración vertical esté comprendido entre 0,2 y 1,2 segundos. - Vigas de hormigón pretensado con luces superiores a 10 m y esbeltez geométrica (L/h) superior a 20. Losa de hormigón pretensado con luces superiores a 8 m y esbeltez geométrica superior a 30.

Influencia del terreno en la importancia de las cargas por sismo Se considera como terreno que transmite el movimiento sísmico a la construcción al comprendido en un espesor de seis metros ubicado inmediatamente bajo el nivel inferior de bases o plateas. En caso de fundaciones profundas (pilares, pilotes) se considera como tal al espesor de seis metros ubicado inmediatamente bajo las vigas que vinculan los cabezales de esas fundaciones profundas. El espesor antes definido se incrementará a razón de 1 m por cada 2 t/m² cuando la presión media impuesta al terreno supere 6 t/m². Se define la presión media impuesta al terreno: pm = Q / A

Donde:

Q: carga gravitatoria total A: Superficie media en planta de la construcción

Para la evaluación de la influencia del terreno en la respuesta de la construcción se definen tres tipos de terrenos, a los que se asignan las correspondientes valores del coeficiente de influencia, s. Para clasificarlos se considerarán, por su orden, las siguientes características: a) b) c)

Resultados del ensayo de penetración normal (SPT). Velocidad de transmisión de ondas longitudinales. Tensión de trabajo admisible (en servicio normal) para el proyecto de fundaciones superficiales de viviendas de una planta.

Para el proyecto de fundaciones en si, incluido el análisis de la probabilidad de licuefacción por acción sísmica, se aplica el artículo 5.5 de las normas. Terrenos Tipo 1 (Terrenos firmes) smax = 0,8 Terreno formado por rocas o suelos de gravas compactas o arcillas muy compactas, caracterizados por: a) SPT > 30 golpes b) Velocidad de ondas > 1.000 m/seg c) tad >= 3 kg/cm² Terrenos Tipo 2 (Terrenos medios) smax = 1,0 Terrenos cuyas características se encuentran comprendidas entre las de los suelos tipo 1 las de los suelos tipo 2. Terrenos Tipo 3 (Terrenos blandos) smax = 1,2 Son suelos granulares de baja densidad relativa (