UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FA C U LTA D D E I N G E N I E R Í A
ELABORACIÓN DE MEMORIA DE
CÁLCULO DE UN LOCAL COMERCIAL
R E P O R T E
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE :
INGENIERO CIVIL
PRESENTA :
RUDYARD HERNÁNDEZ LUGO
COATZACOALCOS, VER.,
2012.
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 3
CAPÍTULO I. DESCRIPCIÓN GENERAL ................................................................. 4
CAPÍTULO II. PLANEACIÓN................................................................................... 13
CAPÍTULO III. REALIZACIÓN DEL TRABAJO ...................................................... 14
CAPÍTULO IV. ENTREGA DEL TRABAJO............................................................. 45
CONCLUSIÓN .........................................................................................................55
2
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo describe la realización de la memoria de cálculo de una
edificación ubicada en la ciudad de Coatzacoalcos, Ver., y tiene como fin el
obtener el título de Ingeniero Civil por medio de la modalidad de reporte.
El primer capítulo del presente reporte se titula Descripción General del Trabajo, y
en él, como su nombre lo indica, se describe detalladamente el trabajo que se
realizó, en este caso una memoria de cálculo. También se describen los
elementos y datos proporcionados por el cliente, así como el software utilizado en
el análisis y diseño estructural.
El capítulo dos, Planeación de los Trabajos, tiene el objetivo de mostrar en forma
tabular el proceso que se siguió para la elaboración de la memoria de cálculo y
los lapsos de tiempo para cada etapa.
En el capítulo tres, Realización del trabajo, se especifica punto por punto cada
uno de los pasos realizados durante el desarrollo del trabajo motivo del presente
reporte, mostrando con algunas gráficas los resultados obtenidos.
Por último, en el capítulo cuatro se describe el proceso que se llevó a cabo para
la entrega de la obra.
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CAPÍTULO I
DESCRIPCIÓN GENERAL
ANTECEDENTES
La empresa Inmobiliaria Promos, S.A. de C.V. desarrolló el proyecto
arquitectónico de un local comercial que estará ubicado en Avenida Universidad
Veracruzana No. 2401, Fraccionamiento Rancho Alegre 2, en la ciudad de
Coatzacoalcos, Ver., y posteriormente, a través del Arq. Diego Porras Ramos,
Gerente de Proyectos, solicitó mis servicios para la elaboración del cálculo
estructural y los correspondientes planos estructurales de dicha edificación, cuyo
destino final será una franquicia de la cadena de tiendas EMPEÑO FACIL (EZ
PAWN), especializada en servicios financieros y crediticios a personas de bajos
ingresos.
INFORMACIÓN DISPONIBLE
La información que se obtuvo por parte de la empresa fue una propuesta
arquitectónica, planteando criterios generales sobre alturas de entrepisos,
dimensiones de claros, tipo de cubierta, una propuesta de estructura principal
para lograr el proyecto arquitectónico deseado, así como una descripción del uso
que se dará a las diferentes áreas de la edificación.
Se contó con la siguiente información:
 Plantas arquitectónicas
 Cortes arquitectónicos
 Fachadas.
 Uso al que se destinará la edificación.
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LOCALIZACIÓN
La edificación motivo del presente reporte está ubicada en la Avenida Universidad
Veracruzana No. 2401-A, Fraccionamiento Rancho Alegre 2, en la Ciudad de
Coatzacoalcos, Ver.
El predio en el que se desplanta limita por el Este en 73.07 metros con el
estacionamiento de la tienda departamental Suburbia y el Restaurante Vips, por
el Sur y Oeste en 98.27 metros con la tienda de material eléctrico Tubos y
Conductores de Coatzacoalcos, S.A. de C.V. y por el Norte en 47.03 metros con
la avenida Universidad Veracruzana.
La superficie total del predio propiedad de Inmobiliaria Promos, S.A. de C.V. es
de 1,587 m2, de los cuales el inmueble motivo del presente reporte ocupa un área
construida de 300.00 m2, y se reservan 106.52 m2 para estacionamiento y
banqueta.
DESCRIPCIÓN DEL INMUEBLE
El edificio está constituido por un solo cuerpo, y cuenta con un área total de
aproximadamente 589.00 m2 distribuidos en dos niveles. El área constructiva fue
especificada de 25.00 metros a lo largo por 12.00 metros a lo ancho.
En el sentido largo se cuenta con 9 ejes principales con separaciones variables
de entre 3.00 m y 3.59 m entre cada uno. A lo ancho se cuenta con 3 ejes
principales con una separación de 5.85 m entre cada uno.
El sistema de piso está considerado a base de Losacero para todo el entrepiso y
una parte de la azotea que servirá para soportar los equipos de aire
acondicionado, y a base de lámina Imperpanel o similar para la cubierta restante
5
de la azotea.
Dicho sistema de piso estará sustentado mediante una estructura de columnas y
trabes de acero, mientras que la cubierta es soportada por armaduras con perfiles
de acero.
ESTRUCTURACIÓN
La estructura principal se resolvió mediante columnas y trabes de acero. Las
columnas y trabes son de sección constante, formadas por perfiles IPR de
diferentes medidas.
Las armaduras se encuentras dispuestas normales al eje de mayor inercia de las
columnas y están resueltas a base de perfiles PTR.
Para la cimentación se utilizó una combinación zapatas corridas y zapatas
aisladas de concreto reforzado.
ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL
En general, tanto para el análisis estructural, como para el diseño de los
elementos estructurales, se recurrió a la auxilio de software especializado de
ingeniería.
A continuación se describe brevemente el software que fue utilizado a lo largo de
este proyecto.
SAP2000 Versión 14
Es un programa de cálculo de estructuras por elementos finitos, para análisis
estático y dinámico lineal y no lineal, así como para el diseño de elementos
6
estructurales de acero, concreto y aluminio, desarrollado por la empresa CSI,
Computer and Structures, Inc. En Berkeley, California, EEUU.
SAFE Versión 12.2
Es un programa de cómputo que provee las herramientas necesarias para el
modelado, análisis, diseño, y detallado de los sistemas de losa de concreto y
cimentaciones. Este programa es desarrollado por la empresa CSI, Computer and
Structures, Inc. En Berkeley, California, EEUU
LIMCON versión 3.55
Es un potente programa de ayuda para el diseño de las conexiones de acero que
incluye diferentes códigos internacionales y diferentes tipos de conexiones, tanto
atornilladas como soldadas. Algunas de sus características son: a) Comprobación
de acuerdo al reglamento AISC LRFD y AS 4100, b) Revisión de conexiones por
cortante y por momento, c) Vista en realidad virtual de las conexiones. Este
software es desarrollado por la empresa Engineering Systems Pty Limited.
RISABASE versión 2.0
Es un programa avanzado de diseño de placa base y tornillos que ofrece nuevas
técnicas para análisis complejos, flexión biaxial con comportamiento en dos
direcciones. Este revolucionario software es el único programa que le otorga toda
la capacidad del Método de Elemento Finito para el análisis de placas base. Es
desarrollado por la empresa Risa Technologies, LLC.
En las siguientes figuras se muestran la ubicación, localización, cortes y las
plantas arquitectónicas proporcionadas por el cliente para la elaboración del
cálculo estructural.
7
RA
UL
AN
IA
GU
NO
Figura 1. Localización del predio
Figura 2. Ubicación de la edificación
8
Figura 3. Plano Arquitectónico - Planta Baja
9
Figura 4. Plano Arquitectónico – Planta Alta
10
Figura 5. Plano Arquitectónico – Planta de Azotea
11
Figura 6. Corte transversal
Figura 7. Corte longitudinal
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11.- COMPILACION DE MEMORIA DE CÁLCULO
10.- ELABORACION DE PLANOS ESTRUCTURALES
9.- OBTENCION DE RESULTADOS DE LA CIMENTACION
8.- MODELADO DE LA CIMENTACION
7.- DISEÑO DE CONEXIONES Y PLACA BASE
6.- DISEÑO ESTRUCTURAL DE ELEMENTOS
5.- OBTENCIÓN DE RESULTADOS DE LA SUPERESTRUCTURA
4.- DEFINICIÓN DE CARGAS DE LA SUPERESTRUCTURA
3.- MODELADO DE LA SUPERESTRUCTURA
2.- INVESTIGACIÓN Y RECOPILACIÓN DE DATOS
1.- RECEPCIÓN DE INFORMACIÓN Y ENTREVISTA
ACTIVIDAD
1
2
3
4
5
6
DIAS
7 8 9
10 11 12 13 14 15
CAPÍTULO II
PLANEACIÓN
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CAPÍTULO III
REALIZACIÓN DEL TRABAJO
La primera fase del trabajo correspondió a la investigación y recopilación de los
datos necesarios para llevar a cabo el análisis y diseño estructural, como es la
inspección visual y la selección de la información bibliográfica necesaria para
llevar a cabo el trabajo de manera correcta.
En primer lugar realicé una inspección visual del sitio en que se desplantaría la
estructura, para verificar el tipo de terreno y las características de las estructuras
edificadas en los alrededores. Pudiendo observar algunas construcciones con
características similares a la proyectada.
Posteriormente recopilé información con las especificaciones de los perfiles de
acero que se propondrían para el diseño estructural. En este caso encontré
información para los perfiles IPR y PTR, así como de placa de acero de diferentes
espesores en el Manual de Construcción en Acero del Instituto Mexicano de la
Construcción de Acero, A.C., mejor conocido como “Manual IMCA”.
Con respecto a información sobre elementos de lámina losacero y lámina
Imperpanel para la cubierta de azotea, conté con la ayuda del manual de
especificaciones de productos acanalados de IMSA, y que en la actualidad es
distribuido por Ternium.
Seleccioné también información relativa a pesos específicos de los diferentes
materiales que se podrían utilizar en la estructura, como concreto, recubrimientos,
blocks de concreto, etc.
El siguiente paso fue realizar el modelo digital de la estructura en el programa
SAP2000, para lo cual, en primera instancia, y basándome en el plano
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arquitectónico proporcionado por Inmobiliaria Promos, S.A. de C.V., definí las
diferentes coordenadas que me auxiliarían en el modelado de la estructura.
Posteriormente cargué en el programa, desde su base de datos, diferentes
medidas de perfiles IPR y PTR para el análisis de la estructura.
A continuación, haciendo uso de las herramientas disponibles en el programa, fui
modelando la totalidad de los elementos estructurales, empezando con los
elementos verticales y posteriormente con los horizontales.
En el modelado de las armaduras de dos aguas para la techumbre de azotea,
debido a la dificultad de llevar a cabo dicha tarea en el SAP2000, recurrí al auxilio
del AUTOCAD, dibujando en 2D dicho elemento, y posteriormente realizando la
importación de los datos al SAP2000.
En las siguientes figuras se muestran el modelo digital en SAP2000 para la planta
baja, planta alta y para la estructura completa.
Figura 8. Modelo en SAP2000 de la planta baja
15
Figura 9. Modelo en SAP2000 de la planta alta
Figura 10. Modelo en SAP2000 de toda la estructura
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La definición de los tipos de carga fue el siguiente paso, en el cual se configuró el
programa para trabajar con los siguientes tipos:
DEAD
Carga Muerta (Para los elementos estructurales)
SDEAD
Carga Muerta (Para elementos no estructurales permanentes)
LIVEa
Carga Viva instantánea
LIVEm
Carga Viva máxima
SISMOx
Carga por Sismo en X
SISMOy
Carga por Sismo en Y
WINDx
Carga por Viento en X
WINDy
Carga por Viento en Y
El programa automáticamente asigna el peso de cada uno de los elementos de la
estructura de acuerdo a su peso específico y dimensiones, por lo que no es
necesario llevar a cabo ningún cálculo para esos elementos.
Para los elementos no estructurales permanentes se procedió a calcular las
cargas muertas ocasionadas por la losa de entrepiso a base de losacero y por la
techumbre de azotea de Imperpanel, y distribuir dichas cargas sobre los
elementos resistentes de cada uno de estos sistemas.
La misma operación se realizó con la distribución de cargas vivas, aplicando en
este caso dos tipos de cargas: la primera designada como LIVEm, es la carga
viva máxima, y la segunda es la carga viva instantánea, nombrada como LIVEa.
Tanto en la losa de entrepiso como en la cubierta de azotea.
Para la carga por viento, se llevó a cabo el cálculo de la presión de diseño de
acuerdo a la ubicación y tipo de estructura, y se aplicó sobre los elementos
correspondientes de la techumbre. Y respecto a la carga por sismo, se configuró
el programa para que llevara a cabo un análisis sísmico estático en dos ejes, y
realizara el cálculo de los elementos mecánicos producidos por dicha carga.
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Lo siguiente fue establecer el código que se utilizaría para el diseño de los
elementos, para lo cual se configuró con la opción “Mexican RCDF 2001”.
Una vez que se tuvieron asignadas todas las cargas sobre la edificación y elegido
del código de diseño, se procedió a establecer las combinaciones de las mismas,
bajo las cuales se revisarán y diseñarán los elementos estructurales. Para esto se
utilizó el generador automático de combinaciones de carga del SAP2000 y
posteriormente se modificaron tanto los nombres asignados como las cargas
asignadas a cada combinación, debido a que el programa no hace diferencia
entre carga viva máxima y carga viva instantánea.
Una vez terminado de capturar todos los datos necesarios se procedió a efectuar
la corrida para el análisis de la estructura y obtener los diferentes elementos
mecánicos actuantes.
En las siguientes figuras se muestra la deformación sufrida por la estructura bajo
las cargas actuantes.
Figura 11. Deformación de la estructura bajo carga muerta.
18
Figura 12. Deformación de la estructura bajo carga viva.
Figura 13. Deformación de la estructura bajo carga por sismo en x.
19
Figura 14. Deformación de la estructura bajo carga por sismo en y.
Figura 15. Deformación de la estructura bajo carga por viento.
20
Algunos de los resultados obtenidos por el programa en el marco del eje 18
fueron los siguientes:
Figura 16. Diagrama de Momentos por Carga Muerta
Figura 17. Diagrama de Cortantes por Carga Muerta
21
Figura 18. Diagrama de Momentos por Carga Viva Máxima
Figura 19. Diagrama de Cortantes por Carga Viva Máxima
22
Figura 20. Diagrama de Momentos por Sismo en X
Figura 21. Diagrama de Cortantes por Sismo en X
23
Figura 22. Diagrama de Momentos por Viento en X
Figura 23. Diagrama de Cortantes por Viento en X
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A continuación se inició el módulo de diseño del SAP2000 para llevar a cabo la
revisión de los elementos estructurales bajo las diferentes combinaciones de
carga.
Después de algunos ajustes en los elementos elegidos para la estructura, se
logró obtener un resultado satisfactorio, como se muestra en la siguiente figura,
en la cual los colores indican la relación de esfuerzo soportada.
Figura 24. Resultados obtenidos con el SAP2000
Posteriormente, para verificar la confiabilidad de los resultados se eligieron
aleatoriamente algunos elementos y se realizó el cálculo manualmente.
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Algunas de los resultados de diseño obtenidos por el programa fueron los
siguientes:
26
27
28
29
30
Con base en los resultados obtenidos con el programa SAP2000 se dibujaron en
Autocad los siguientes detalles.
X
Y
Y
X
Figura 25. Planta estructural de entrepiso de losacero
31
X
Y
Y
X
Figura 26. Planta estructural de azotea para cubierta Imperpanel
32
Figura 27. Planta estructural de azotea para losacero
Figura 28. Armadura AR-1 para techumbre de Imperpanel
Figura 29. Armadura AR-2 para techumbre de Imperpanel
33
Figura 30. Armadura AR-3 para techumbre de Imperpanel
Figura 31. Corte estructural transversal Y-Y
34
A continuación se procedió a efectuar el diseño de las conexiones entre los
diferentes elementos estructurales que componen la edificación.
Como ejemplo veremos los pasos que se siguieron para llevar a cabo la revisión
de la conexión marcada como CX-4 en los planos estructurales con la ayuda del
programa Limcon V3.55
La primera acción realizada fue elegir en el menú principal del programa el tipo de
conexión que vamos a revisar. En este caso se trata de una conexión soldada
para resistir momentos, como se puede observar en la figura 24.
Figura 32. Selección del tipo de conexión en el programa Limcon
El siguiente paso fue especificar los tipos de perfiles que va a tener nuestra
conexión, los cuales, de acuerdo a la revisión estructural que efectuada con el
programa SAP2000, fue un perfil IPR 18”x11”x113.10 kg/m (W18x76), tanto para
la sección de columna como para la trabe.
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A continuación se detalló el tipo de soldadura que se utilizará para la unión de los
dos elementos; indicando la resistencia a la rotura del material utilizado para la
soldadura y el ancho de la misma, tanto para el patín como el alma.
Posteriormente se especificaron las propiedades de los atiezadores; como son el
grado de acero que se utilizará, las dimensiones, y las propiedades y
dimensiones de la soldadura.
Por último, se capturaron las cargas actuantes en la conexión y sus diferentes
combinaciones, para que de este modo el programa lleve a cabo la revisión con la
combinación de cargas crítica.
Una vez cargado el programa con todos los datos necesarios, despliega los
resultados de la revisión efectuada a la conexión, señalando con la palabra
“Pass” si la verificación es correcta y con la palabra “Fail” en caso de falla a cada
una de las revisiones realizadas.
El mismo procedimiento se siguió para las diferentes conexiones tanto del
entrepiso como para la techumbre a base de perfiles PTR.
Figura 33. Modelo de la conexión CX-4 diseñada en el programa Limcon
36
El detalle estructural para la conexión CX-4 que se elaboró con base en el
resultado obtenido del programa Limcon es el que se muestra en la figura 26.
d
d
´
Figura 34. Conexión CX-4
A continuación se procedió al diseño de las placas base para desplantar la
estructura sobre los dados de cimentación. Para este fin se utilizó el programa
RISABase versión 2.0.2
El primer paso fue especificar el perfil de la columna de acero y determinar el tipo
de soldadura con el que se realizará la conexión entre esta y la placa base.
Posteriormente se definió la geometría de la placa base, estableciendo las
medidas mínimas y máximas permitidas para que el programa, en un proceso
iterativo, determinara las características idóneas de la placa (ancho, largo y
espesor).
Enseguida se detalló la distribución de los pernos de anclaje en relación a su
posición dentro de la placa base.
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Figura 35. Datos de la geometría en el programa RISABase
Por último se especificaron las cargas actuantes sobre la placa base. Estas
cargas fueron obtenidas de los resultados proporcionados por el análisis realizado
en el programa SAP2000.
Figura 36. Resumen del reporte del programa RISABase
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En la figura 28 se puede observar un resumen de los resultados obtenidos al
ejecutar el programa RISABase con los datos del proyecto. Y basándose en
dichos datos se elaboró el detalle estructural de la placa base, como se muestra
en la figura 29.
Figura 37. Placa base PB-1
El siguiente, y último paso, en la elaboración del cálculo estructural, fue el diseño
de la cimentación, para esto se contó con el auxilio del software CSI Safe en su
versión 12.2
La primera acción que se realizó fue especificar las características de los
materiales que se utilizarían, como es el acero de refuerzo y el concreto. Para el
acero de refuerzo se consideró acero grado 42 con un esfuerzo de fluencia
fy=4,200 kg/cm2, y para el concreto se especificó una resistencia a compresión de
f´c=200 kg/cm2.
Posteriormente se indicaron las características de los diferentes elementos que
forman la cimentación, como espesor de las zapatas, y las dimensiones de los
dados y trabes de liga.
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Con dichos elementos y con la ayuda de las herramientas que el mismo programa
proporciona, se hizo la propuesta de distribución de la cimentación.
Así mismo, se especificó resistencia admisible del terreno y se asignó dicho valor
a los elementos estructurales de la cimentación.
Una vez que se tuvo el modelo de la geometría de la cimentación, se procedió a
establecer las magnitudes de las cargas actuantes sobe ésta, obtenidas de los
resultados proporcionados por el programa SAP2000.
Figura 38. Modelo de la cimentación en el programa SAFE
Ya definidas las cargas actuantes sobre nuestro modelo y las características
físicas del mismo, de realizó la corrida del análisis del programa SAFE para
determinar los resultados.
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Figura 39. Diagrama de momentos generados por carga muerta.
Figura 40. Diagrama de momentos generados por carga sísmica.
41
Los siguientes detalles de la cimentación fueron elaborados con base en los
resultados proporcionados por el programa SAFE.
Figura 41. Zapata corrida Z-1
Figura 42. Trabe de Liga TL-1
42
Figura 43. Corte transversal de la zapata aislada Z-2
Figura 44. Vista en planta de la zapata aislada Z-2
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Una vez que se tuvieron todos los cálculos terminados y verificados, se procedió
a elaborar los planos estructurales correspondientes en AUTOCAD, que en total
fueron ocho.
Lámina E-01Planta y detalles de cimentación
Lámina E-02Planta estructural de entrepiso
Lámina E-03Planta de entrepiso de losacero
Lámina E-04Planta estructural de azotea
Lámina E-05Planta de azotea de imperpanel
Lámina E-06Corte estructural Y-Y y faldón de fachada
Lámina E-07Corte estructural X-X
Lámina E-08Detalles estructurales
Posteriormente se recopiló la memoria de cálculo definitiva, reuniendo en un solo
archivo todos los datos proporcionados por los programas y anexando copias de
los planos estructurales.
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CAPÍTULO IV
ENTREGA DEL TRABAJO
Una vez que se terminaron de realizar todos los trabajos que se mencionan en el
capítulo anterior, se procedió a hacer entrega de los planos y la memoria de
cálculo, en formato electrónico, directamente al Arq. Diego Porras, para que se
llevara a cabo la revisión y diera su visto bueno para el cobro de los honorarios.
Una copia del archivo de Autocad con los planos estructurales fue enviada vía
correo electrónico al Ing. José Luis Cano Barahona, contratista de la empresa
Inmobiliaria Promos, S.A. de C.V., quien se encargaría de realizar la obra, para
que hiciera también una revisión y diera su punto de vista respecto a los mismos.
Luego de haber aclarado algunas observaciones del Ing. José Luis Cano y de
tener el visto bueno del Arq. Diego Porras, se procedió a elaborar la factura
correspondiente la cual fue entregada al Arq. Jafet Francisco Ramírez, para su
trámite ante el departamento de Tesorería.
Después de aproximadamente 10 días, se recibió un aviso por parte dicho
departamento para pasar a recoger el cheque a las oficinas de la inmobiliaria, con
lo que quedó concluido el trámite de entrega.
Posterior a la entrega, y durante la etapa de construcción, estuve verificando
directamente en la obra, el apego a lo señalado en la memoria de cálculo y los
planos estructurales.
En las páginas siguientes se muestran los planos estructurales y fotografías de la
obra ya concluida.
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CONSTRUCCIÓN TERMINADA
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CONCLUSIÓN
A lo largo de este reporte se describió el procedimiento completo para la
elaboración de una memoria de cálculo, en este caso, para una edificación
destinada a local comercial, que como pudimos observar, es una estructura
constituida por un solo cuerpo que a su vez está distribuido en dos niveles.
Para el desarrollo de dicha memoria de cálculo se hizo uso de diferentes
programas de cómputo que ayudaron a resolver tanto el análisis estructural de la
edificación, así como el diseño de los diferentes elementos que componen la
estructura.
La conveniencia de la utilización de programas de cómputo en el análisis y diseño
estructural es que nos permite modificar con un simple comando las propiedades
de cualquier elemento de la estructura y volver a realizar el cálculo en unos
cuantos segundos. Por lo cual el presente reporte, además de ser una
descripción de la elaboración de una memoria de cálculo, también puede ser
utilizado como una introducción al uso de las computadoras en el análisis y
diseño estructural, específicamente en el uso de los programas SAP2000, SAFE,
LIMCON y RISABASE.
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