diseño en acero nave industrial de 29x24 en sap2000

DISEO DE ACERO Y

MADERA ANLISIS Y DISEO SISMO ESTTICO

NAVE INDUSTRIAL

AUTORES

Bardales Villanueva, Herless

Chvez Correa, Deysi

Cueva Chvez, Fran

Muoz Snchez, Alexander

ASESOR ING. Julio Almagro Huamn Iturbe

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NORMA E-030 INGENIERA CIVIL

INTRODUCCION

Con la finalidad de aprovechar al mximo la capacidad de las estructuras sismo

resistentes, segn la Norma Peruana (E 020; E 030 - 2014).

Con este trabajo aplicativo final se pretende presentar una informacin prctica y

resumida para el diseo ssmico de una nave industrial, desde uso de tablas, frmulas,

de un software de diseo (SAP 2000 V17), hasta su aplicacin. La informacin

contenida en este trabajo, es resultado del empleo de la norma peruana E.030 para el

diseo ssmico de estructuras metlicas.

El nombre del tema y ttulo de este trabajo aplicativo responde a la amplia gamma del

empleo de las naves industriales en los diferentes sectores de la industria peruana y

extranjera.

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OBJETIVOS

OBJETIVO PRINCIPAL:

Es Analizar, Modelar y Disear, realizando los clculos Estructurales

segn la Norma E -030.

OBJETIVOS SECUNDARIOS:

Es demostrar, mediante un ejemplo, las caractersticas de cmo se

comporta una estructura de Techo Parablico.

La optimizacin de las dimensiones y caractersticas de estas estructuras.

Cumplir con la Norma Peruana (E 020, E 030 - 2014).

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CONSIDERACIONES GENERALES

Clasificacin de los Aceros Estructurales:

Los aceros estructurales disponibles en perfiles estructurales laminados en caliente,

placas y barras pueden clasificarse como aceros con carbono, aceros de alta resistencia y

baja aleacin, aceros resistentes a la corrosin, y aceros de baja aleacin enfriados y

templados. En Estados

Unidos, la American Society for Testing and Materials (ASTM) desarrolla y mantiene

los estndares de materiales relevantes para estos aceros Los aceros estructurales se

agrupan generalmente segn:

Varias clasificaciones principales de la ASTM:

A36. Aceros de propsitos generales. A529. Aceros estructurales de carbono. A572. Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleacin. A242, A588. Aceros estructurales de alta resistencia, baja aleacin y resistentes

a la corrosin atmosfrica.

A514, A582. Placas de acero templado y enfriado.

Propiedades Mecnicas:

Las propiedades mecnicas de los aceros dependen de su composicin qumica, de sus

aleaciones, de su proceso de laminacin, forma de enfriamiento, tratamiento trmico

posterior y el tipo de solicitaciones a que sean sometidos. Las siguientes propiedades,

sin embargo, son comunes en todos los aceros:

Peso Especfico:

Mdulo de Elasticidad (Modulo de Young):

Mdulo de Corte:

/

( + )

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DONDE:

E: Modulo de Elasticidad.

c: Coeficiente de Poisson.

Coeficiente de Poisson:

Rango Elstico:

Rango Inelstico:

= .

= .

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EJEMPLO APLICATIVO

Analizar y disear un techo parablico en la ciudad de Chilete, destinado para un centro

comercial, cuyo anlisis de suelos nos da una capacidad portante de 2.5 Kg/cm2, a una

profundidad de cimentacin a 1.5m.

ESTRUCTURA (m)

LARGO 29

ANCHO 24

ALTURA 6

SIMBOLO DESCRIPCION UNDAD Tn/m2

`c Resistencia a la Compresin del Acero 42000

Ec Mdulo de Elasticidad del Acero 21x106

SIMBOLO DESCRIPCION

UNDAD kg/m3

Peso por Unidad de Volumen 7850

SIMBOLO DESCRIPCION

c Coeficiente de Poisson del Acero Elstico 0.3

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VISTA EN PLANTA

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VISTA DE PERFIL

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PROCESO DEL DISEO ESTRUCTURAL

Cualquier intento de clasificacin o subdivisin del proceso de diseo resulta hasta

cierto punto arbitrario. Sin embargo, es til para aprender su esencia, considerar tres

aspectos fundamentales:

La Estructuracin. El Anlisis El Dimensionamiento.

Las vigas de celosa se suelen proyectar cuando las luces son muy grandes, o cuando se

quieren hacer vigas con poco peso. Estas vigas estn compuestas por perfiles laminados,

y las de grandes luces, suelen tener forma rectangular.

La anchura de la viga es necesaria para que pueda resistir el pandeo por la compresin,

y adems los esfuerzos laterales del viento. Tambin se colocaran cada x tramos unas

cruces de San Andrs para darle mayor rigidez.

Para el clculo de los perfiles se utiliza el diagrama de CREMONA. Con este metodo se

suponen todos los nudos articulados aunque en la realidad no es asi, ya que estan

soldados o remachados normalmente.

Esto es admisible dado que la longitud y esbeltez de los elementos, es suficiente para

que puedan doblarse segn pida la deformacion, al entrar en carga la viga.

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Las vigas de celosa de poco peso, suelen estar constituidas por un tubo en el par, y por

redondos el resto.

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SOLUCION DEL EJEMPLO APLICATIVO

1.- POR DIMENSIONAMIENTO

1.1 SUBDIVISION DE LA ESTRUCTURA

Dividir en X:

Por lo tanto, para definir (X) de la viga se podr elegir una

medida a nuestro criterio.

Unidad de medida: (m).

Dnde:

NP: El nmero de partes en que se va a dividir la

estructura.

L: Longitud de la estructura.

X: Numero escogido segn nuestro criterio.

=

..(f1)

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CALCULAMOS LOS DATOS PARA EL EJEMPLO

Aplicando la frmula (f1 ) obtenemos los siguientes resultados:

Para nuestro ejemplo optamos por el valor de (X=5.8).

Numero de partes de la estructura:

=

=29

5.8

= 5

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Se ha obtenido 5 secciones en la direccin del eje en Y.

1.2 VIGAS:

Peralte de la viga:

En este caso se tomara como la Luz, al valor de (X).

Por lo tanto, para definir el peralte de la viga se podr elegir entre

cualquiera de los valores del divisor (8; 10; 12), como se

especifica en la formula

En construccin civil redondear los valores a mltiplos de (5), de

los resultados obtenidos por la formula.

Unidad de medida: (cm).

Dnde:

P: Peralte

L: Luz

Vig: Viga

Base de la viga:

B: Base

N.P 5

= L

8;

L

10;

L

12 ... (f2)

2 (f3)

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Unidad de medida: (cm)

NOTA: La base nunca puede ser menor de 25cm.


Se toma la mayor distancia de luz en el eje (X) como en (Y).

LUZ (Cm)

V. 101 580

Aplicando las formulas (f2 y f3) obtenemos los siguientes

resultados:

Para nuestro ejemplo optamos por el valor de (X=5.8).

Para la V.101

= [

;

;

]

= [ 580

8;580

10;580

12 ]

= [ 72.5; 58; 48.3 ]

= [ 70; 60; 50]

= [ ]

30

30 30

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Para la V.101 la base se ha tomado el mismo nmero.

SECCION (cm)

VIGAS PERALTE BASE

V. 101 60 30

1.2 COLUMNAS:

Peralte de la columna:

En este caso se tomara como la Luz, al valor de (X).

Se selecciona el mayor Peralte de la Viga (Pvig).

Pcol: Peralte de la columna.

Pvig: Peralte de la viga.

Unidad de medida: (cm)

Base de la Columna:

Bcol: Base de la Columna.

Bvig: Base de la Viga.

... (f5)

= [ 80% 90%] ... (f4)

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Se ha tomado el mayor Peralte de la Viga (Pvig):

Pvig 60 cm

Aplicando las frmulas (f4 y f5) obtenemos los siguientes

resultados:

Para la ( C.101 ):

= [ 80% 90% ]

= [ 80%(60) 90%(60) ]

= [ 48 54 ]

Redondeando a mltiplos de 5 tenemos:

= [ 50 55 ]

= [ 50 ] ( . 101)

30 30

Para la base de la columna se ha tomado la misma que la

de la viga.

SECCION (cm)

COLUMNAS PERALTE BASE

C. 101 50 30

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1.3: DIMENSIONAMIENTO DE LA FLECHA:

TECHO PARABOLICO

Por lo tanto, para definir la flecha (f) de la estructura se podr elegir entre

los valores del divisor, como se especifica en la frmula.

Para la Regin Sierra:


DNDE:

L: Luz de la estructura en (m).

f: Dimensin de la flecha.

30%

2 ()

2 ... (f6)

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Para la Regin Costa:


DNDE:


f: Dimensin de la flecha.


L 24 mts

25%

2 ()

2 ... (f7)

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Para nuestro ejemplo nos ubicamos en la Regin de la Sierra.

Aplicando la frmula (f6) obtenemos los siguientes resultados:

Para la Sierra.

30%

2 ()

2

30% 24

2 ()

24

2

. ()

Para la dimensin de nuestra flecha (f) de los valores

obtenidos por la formula (f6), a criterio personal se ha

optado por el valor de (5m):

VALOR MINIMO DE LA FLECHA 3.6 m

VALOR MAXIMO DE LA FLECHA 12 m

DIMENSION DE FLECHA

(m)

3.6

4

5

6

7

8

9

10

11

12

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1.4: DIMENSIONAMIENTO DEL PERALTE:

Para el Peralte del Techo Parabolico, se tomara la luz de la estructura.

Peralte del Techo Parablico:

Por lo tanto, para definir el Peralte (P) de la estructura se utiliza las

siguientes frmulas.

O


1

10

2 ... (f8)

1

12

2 ... (f9)

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DONDE:

P: Peralte del Techo Parablico.



L 24 m

Aplicando las frmulas (f8) y (f9) obtenemos los siguientes

resultados:

Formula (f8):

1

10

2

1

10

24

2

.

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Formula (f9):

1

12

2

1

12

24

2

Para la dimensin de nuestro Peralte (P) de los valores

obtenidos por las formulas (f8) y (f9), a criterio personal

se ha optado por el valor del Peralte igual (1m).

1.5: ANGULO DE DISEO:

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El numero de vanos dependera del Peralte, ya que se haran los calculos, para

que las diagonales esten aproximademente a 45 (son admisibles de 40 a

55).

ANGULOS ADMISIBLES

40 a 55

CONDICION:

DONDE:

X: Valores angulares a tomar segn el criterio del

estructurista.

Angulo a 45:

Valores angulares para (X):

40 ( ) 55

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L 24 m

x1 0.89 m

>) 46

Para hallar los segmentos se ha utilizado la siguiente frmula:

DONDE:

L: Luz del prtico de la estructura en (m).

X1: Longitud del Vano del Techo Parablico en (m).

N Seg: Numero de segmentos en que se va a dividir la

estructura

Aplicando Frmula (f10):

=

1

= 24

0.89

= .

=

1 .. (10)

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=

Por tanto para nuestra estructura se dividir en 27 vanos.

Para que la estructura tenga mayor rigidez colocamos

una Cruz de san Andrs en el centro del Techo

Parablico.

1.6: METRADO DE CARGAS:

METRADO DE CARGAS (Kg/m2)

CM CARGA MUERTA 1.2

CV CARGA VIVA 50

CW CARGA DE VIENTO 15

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3.- CALCULO DEL PERIODO FUNDAMENTAL O PERIODO DE VIBRACION

DE LA ESTRUCTURA (T):

Nota: RNE E-030-2014 pag.22.

El perodo fundamental de vibracin para cada direccin se estimar, con la siguiente

expresin:

DONDE:

Ct: Factor que depende del sistema estructural.

hn: Altura del edificio desde el nivel 0+00.

T: Periodo Fundamental de Vibracin de la Estructura.

Ct=35 Prticos de concreto armado sin muros de corte.

Prticos dctiles de acero con uniones resistentes a momentos, sin arrostramiento.

Ct=45

Prticos de concreto armado con muros en las cajas de ascensores y escaleras.

Prticos de acero arriostrados.

Ct=60

Para edificios de albailera y para todos los edificios de concreto armado duales, de muros estructurales, y muros de ductibilidad limitada.


=

... (f11)

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Se ha tomado el factor estructural Ct=45 (ARRIOSTRADO).

Ct 45

Hn 12

CT 45

Aplicando la formula (f11) obtenemos los siguientes resultados:

=

=12

45

= 0.26 (seg)

T 0.26 Seg

4.- CALCULO DE VIBRACION DEL TERRENO (Tp):

Nota: RNE E-030-2014 pag.12.


La capacidad portante del suelo es 2.5 Kg/cm2. Por lo tanto

estaramos hablando de un suelo intermedio.

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2.5qa est entre los intervalos de (1.2 3).

S2 SUELO INTERMEDIO

Por tanto el Perfil de suelo es (S2).

Luego obtenemos el (TP) segn la tabla 4.4.2.

Los periodos TP y TL se obtienen de la Tabla N 4.2.2 y solo dependen del tipo de perfil de suelo (S).

(TP) 0.6 (seg)

5.- CALCULO DE SEDENCIA (TL):

Nota: RNE E-030-2014 pag.12.


2.5qa est entre los intervalos de (1.2 3).

Verificar en la tabla 4.2.1

Entonces el Perfil de suelo es (S2).

Luego obtenemos el (TL) segn la tabla 4.4.2.

TABLA 4.2.1

S TIPO DE SUELO CAPACIDAD PORTANTE

qa(Kg/cm2)

S0 ROCA DURA >6

S1 SUELO RIGIDO 6

S2 SUELO INTERMEDIO 1.2 3

S3 SUELO FLEXIBE 1.2

TABLA 4.2.2

PERIODO (TP) y (TL)

PERFIL DE SUELO

S0 S1 S2 S3

TP (S) 0.3 0.4 0.6 1.0

S2 SUELO INTERMEDIO 1.2 3

S2 SUELO INTERMEDIO

TABLA 4.2.2

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6.- CALCULO DEL COHEFICIENTE DE AMPLIFICACION SISMICA (C):

Nota: RNE E-030-2014 pag.12.

De acuerdo a las caractersticas de sitio, se define el factor de amplificacin ssmica (C)

por las siguientes expresiones:

T: Periodo fundamental de la estructura.

TP: Periodo de vibracin del terreno.

TL: Sedencia del terreno.

Como se tiene el mismo periodo fundamental (T), entonces Cx es igual a Cy.

Este coeficiente se interpreta como el factor de amplificacin de la respuesta estructural

respecto de la aceleracin en el suelo.


Analizamos el factor de amplificacin ssmica (C),con los datos

obtenidos anteriormente como son:

T 0.26 (seg)

(TP) 0.6 (seg)

(TL) 2.0 (seg)

PERIODO (TP) y (TL)

PERFIL DE SUELO

S0 S1 S2 S3

TL (S) 3.0 2.5 2.0 1.6

(TL) 2.0 (seg)

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Por ende aplicando la primera condicin si cumple.

<

0.26 < 0.6

Por lo tanto:

C= 2.5

Si no cumpliera con la primera condicin se analiza con

la segunda condicin.

Si no cumpliera con la segunda condicin se analiza con

la tercera condicin.

7.- CALCULO DEL COHEFICIENTE DE REDUCCION MAXIMA (Ro)

Nota: RNE E-030-2014 pag.16.

Los sistemas estructurales se clasificarn segn los materiales usados y el sistema de

estructuracin sismo resistente en cada direccin tal como se indica en la Tabla N 7.

Cuando en la direccin de anlisis, la edificacin presenta ms de un sistema

estructural, se tomar el menor coeficiente R0 que corresponda a la estructura.

TABLA N 07

SISTEMAS ESTRUCTURALES

Sistema Estructural Coeficiente Bsico de Reduccin R0 (*) Acero: Prticos dctiles con uniones resistentes a momentos.

8

Otras estructuras de acero: Arriostres Excntricos 7 Arriostres Concntricos 6

Concreto Armado:

Prticos 8 Dual 7 De muros estructurales 6 Muros de ductilidad limitada 4

Albailera Armada o Confinada. 3

Madera (Por esfuerzos admisibles) 7

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Por tanto:

La primera tentativa consideramos la irregularidad de Ip:

IP 1

Ia 1

7.3.- Calculo del Coeficiente de Reduccin de la Fuerza Ssmica, R:

Nota: RNE E-030-2014 pag.19.

DONDE:

R: Coeficiente de reduccin de la fuerza ssmica.

Ro: Coeficiente de reduccin mxima.

Ia: Irregularidad en altura.

Ip: Irregularidad en planta.

Adems se tiene que comprobar que:

DONDE:

C: Coeficiente de Amplificacin ssmica.

R: Coeficiente de la reduccin de la fuerza ssmica.

Si C/R es mayor que 0.125 entonces es aceptable la estructura de Arrostramiento Concntrico, caso contrario cambiar la

estructuracin o la altura de la edificacin.

CALCULAMOS LOS DATOS PARA EL EJEMPLO:

Para nuestro caso, nuestra edificacin es Concntrica, por ende :

RO 6

= ... (f12)

0.125 ... (f13)

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RO 6

Calculo del Coeficiente de Reduccin de la Fuerza Ssmica, segn la formula (f12).

=

= 6 1 1

= Tabla con el coeficiente de Reduccin:

Ro 6

Ia 1

Ip 1

R 6

Comprobamos segn la frmula:

C= 2.5

R= 6

.

2.5

6 0.125

0.416 0.125

C/R

0.416 0.125

C/R es mayor que 0.125 entonces la estructura es aceptable.

8.- CALCULO DE LA CORTANTE BASAL EN X, Y

Nota: RNE E-030-2014 pag.21

La fuerza cortante total en la base de la estructura, correspondiente a la direccin

considerada, se determinar por la siguiente expresin:

V=

... (f14)

P g i n a 32 | 38


DNDE:

El valor de C/R no deber considerarse menor que:

DONDE:

C: Coeficiente de Amplificacin ssmica.

R: Coeficiente de la reduccin de la fuerza ssmica.

8.1 Factor de Uso (U):

Nota: RNE E-030-2014 pag.13.

Cada estructura debe ser clasificada de acuerdo con las categoras indicadas en la

Tabla N 5. El factor de uso e importancia (U), definido en la Tabla N 5 se usar segn

la clasificacin que se haga.

0.125 ... (f15)

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Tabla N 5 CATEGORA DE LAS EDIFICACIONES

CATEGORA DESCRIPCIN FACTOR U

A Edificaciones Esenciales

A1: Establecimientos de salud, como hospitales, institutos o similares, segn clasificacin del Ministerio de Salud, ubicados en las zonas ssmicas 4 y 3 que alojen cualquiera de los servicios indicados en la Tabla N 5.1.

Ver nota 1

A2: Edificaciones esenciales cuya funcin no debera interrumpirse inmediatamente despus de que ocurra un sismo severo tales como: - Hospitales no comprendidos en la categora A1, clnicas, postas mdicas, excepto edificios administrativos o de consulta externa. (Ver nota 2) - Puertos, aeropuertos, centrales de comunicaciones. Estaciones de bomberos, cuarteles de las fuerzas armadas y polica. - Instalaciones de generacin y transformacin de electricidad, reservorios y plantas de tratamiento de Agua. Todas aquellas edificaciones que puedan servir de refugio despus de un desastre, tales como colegios, institutos superiores tecnolgicos y universidades. Se incluyen edificaciones cuyo colapso puede representar un riesgo adicional, tales como grandes hornos, fbricas y depsitos de materiales inflamables o txicos.

1,5

B Edificaciones Importantes

Edificios en centros educativos y de salud no incluidos en la categora A. Edificaciones donde se renen gran cantidad de personas tales como teatros, estadios, centros comerciales, terminales de pasajeros, establecimientos penitenciarios, o que guardan patrimonios valiosos Como museos, bibliotecas y archivos especiales. Tambin se considerarn depsitos de granos y otros almacenes importantes para el abastecimiento

1,3

C Edificaciones Comunes

Edificaciones comunes tales como: viviendas, oficinas, hoteles, restaurantes, depsitos e instalaciones industriales cuya falla no acarree peligros adicionales de incendios o fugas de contaminantes.

1,0

D Edificaciones Temporales

Construcciones provisionales para depsitos, casetas y otras similares.

Ver nota 3

Nota 1: Estas edificaciones tendrn aislamiento ssmico en la base, excepto en

condiciones de suelo desfavorables al uso del sistema de aislamiento.

Nota 2: Estas edificaciones tendrn un sistema de proteccin ssmica por

aislamiento o disipacin de energa cuando se ubiquen en las zonas ssmicas 4

y 3.

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Nota 3: En estas edificaciones deber proveerse resistencia y rigidez adecuadas

para acciones laterales, a criterio del proyectista.

Uso Comn 25%

8. 2.- Calculo Del Factor De Zona Z

Nota: RNE E-030-2014 pag.34.

Nota: RNE E-030-2014 pag.8.

El territorio nacional se considera dividido en cuatro zonas, como se

muestra en la Figura N 1. La zonificacin propuesta se basa en la

distribucin espacial de la sismicidad observada, las caractersticas

generales de los movimientos ssmicos y la atenuacin de stos con la

distancia epicentral, as como en informacin neotectnica. En el

Anexo N 1 se indican las provincias y distritos que corresponden a cada

zona.

P g i n a 35 | 38


FIGURA N 1

A cada zona se asigna un factor Z segn se indica en la Tabla N 1. Este

factor se interpreta como la aceleracin mxima horizontal en suelo rgido con

una probabilidad de 10 % de ser excedida en 50 aos. El factor Z se expresa como

una fraccin de la aceleracin de la gravedad.

Tabla N 1

FACTORES DE ZONA

ZONA Z

4 0,45

3 0,35

2 0,25

1 0,10

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8. 3.- Calculo Del Factor de Suelo (S):

Nota: RNE E-030-2014 pag.12.

El factor de amplificacin del suelo se obtiene de la Tabla 8.3.1 y depende de la zona

ssmica y el tipo de perfil de suelo.

8. 4.- Calculo del Peso Ssmico del Edificio (P):

Unidad de medida: (Tn).

DONDE:

P: Peso ssmico de la estructura.

CM: Carga Muerta.

CV: Carga Viva.

CALCULAMOS LOS DATOS PARA EL EJEMPLO:

Calculamos el factor de uso (U):

De acuerdo a la norma peruana E030-2014 tenemos que se trata de una edificacin de

USO COMUN. Por ende:

U=1.00. (Ver en la tabla N5).

TABLA 8.3.1

FACTOR DE SUELO S ZONA SUELO

S0 S1 S2 S3

Z4 0.8 1.0 1.05 1.10 Z3 0.8 1.0 1.15 1.20

Z2 0.8 1.0 1.20 1.40

Z1 0.8 1.0 1.60 2.00

P = 100% CM + 25% CV ... (f16)

P g i n a 37 | 38


NOMBRE TIPO CARGA VIVA

(%) FACTOR DE

USO (U)

USO COMUN C 25 1.00

Calculamos el factor de zona (Z):

Segn E-030-2014. Cajamarca estara ubicada en la zona

3 por ende Z=0.35.

Calculamos el Peso Ssmico del Edificio (P):

Aplicando formula (f16):

P = CM + CV

P = 107.9

Calculamos la Cortante Basal: DATOS:

Z 0.35

U 1

C 2.5

S 1.15

R 6

P 677.22

Tabla N 1

FACTORES DE ZONA

ZONA Z

4 0,45

3 0,35

2 0,25

1 0,10

P= 107.9 Tn

P g i n a 38 | 38


Aplicando frmula (f14):

=

=0.35 1 2.5 1.15

6 107.9

= 90.47

V 90.47 Tn

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