ESTUDIO COMPARATIVO PARA EL DISEO DE CUBIERTAS DE LOSAS PLEGADAS Y CASCARAS DE SIMPLE CURVATURA EN LA CONSTRUCCIN DE UNA TERMINAL DE BUSES ZONA SUR

Escuela militar de ingenieraMCAL. Antonio JOS de sucre boliviaESTUDIO COMPARATIVO PARA EL DISEO DE CUBIERTAS DE LOSAS PLEGADAS Y CSCARAS DE SIMPLE CURVATURA EN LA CONSTRUCCIN DE LABORATORIOS INGENIERA CIVIL EMI ALTO IRPAVI

ALEXIS VLADIMIR HURTADO LOAYZA

LA PAZ-BOLIVIA2014Escuela militar de ingenieraMCAL. Antonio JOS de sucre boliviaPERFIL DE TRABAJO DE GRADOESTUDIO COMPARATIVO PARA EL DISEO DE CUBIERTAS DE LOSAS PLEGADAS Y CSCARAS DE SIMPLE CURVATURA EN LA CONSTRUCCIN DE LABORATORIOS DE INGENIERA CIVIL-EMI ALTO IRPAVI

ALEXIS VLADIMIR HURTADO LOAYZA

Perfil de Trabajo de Grado, presentado como requisito parcial para optar el ttulo de Licenciatura en Ingeniera Civil.

TUTOR: ING. XAVIER STEVERLYNCK

LA PAZ-BOLIVIA2014NDICE DE CONTENIDOS1.ANTECEDENTES11.1Estructuras laminares11.2Cscaras de simple curvatura21.3Losas plegadas32.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA72.1Identificacin del problema72.2Planteamiento del problema72.3Diagrama causa y efecto83.OBJETIVOS83.1Objetivo General83.2Objetivos especficos84.JUSTIFICACIN.94.1Justificacin Tcnica94.2Justificacin econmica94.3Justificacin social94.4Justificacin ambiental105.ALCANCE105.1Alcance Temtico105.2Alcance Geogrfico105.3Alcance Temporal106.FUNDAMENTACIN TERICA116.1Hormign Armado116.1.1Diseo por Esfuerzos Admisibles.126.1.2Diseo por Capacidad Resistente.126.2Losas plegadas de Hormign Armado137.MARCO METODOLGICO138.TEMARIO TENTATIVO149.CRONOGRAMA DE TRABAJO1610.PRESUPUESTO TRABAJO DE GRADO1711.FUENTES DE CONSULTA18

NDICE DE FIGURAS PG.

FIGURA 1.....4FIGURA 2..... ..5FIGURA 3..6FIGURA 4..8

NDICE DE TABLAS PG.

TABLA 1..16TABLA 2..20

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ESTUDIO COMPARATIVO PARA EL DISEO DE CUBIERTAS DE LOSAS PLEGADAS Y CSCARAS DE SIMPLE CURVATURA EN LA CONSTRUCCIN DE UNA TERMINAL DE BUSES ZONA SUR

ANTECEDENTES

Estructuras laminaresUna estructura laminar es una placa estructural delgada y curva, de grosor muy inferior en comparacin con sus otras dimensiones (de forma que se considera un elemento bidimensional). Acta mediante la transmisin, a travs de su radio de curvatura, de las fuerzas aplicadas como esfuerzos de compresin, traccin o cortantes que actan de forma tangencial a su superficie.La caracterstica de las estructuras laminares es que al ser delgadas permiten que no se desarrollen grandes tensiones de flexin, corte o tensin; las cscaras (lminas curvas, convenientemente apoyadas, en las que el equilibrio de las cargas externas se logra fundamentalmente por medio de esfuerzos normales y tangenciales) reparten las cargas que actan sobre ellas para que no hayan cargas puntuales.Ventajas:Al igual que el arco, las formas curvas usadas frecuentemente para las cscaras de hormign son estructuras fuertes por naturaleza, lo que permite la creacin de grandes superficies sin la necesidad de utilizar apoyos internos, dando un interior abierto y difano. El uso del hormign como material de construccin reduce tanto el costo de los materiales y construccin, ya que el hormign es relativamente barato y fcil de manejar cuando se trata de curvas compuestas. La estructura resultante puede ser inmensamente fuerte y segura.Desventajas:Dado que el hormign es un material poroso, las cpulas de hormign a menudo tienen problemas de estanqueidad. Si este problema no es tratado, el agua de lluvia puede filtrarse a travs del techo y colarse en el interior del edificio. Por otro lado, la construccin de las cpulas de hormign lisas y sin costuras impide el escape de aire, y puede conducir a la acumulacin de condensaciones en el interior de la cscara. Los selladores son la solucin ms comn al problema de la humedad exterior, y los deshumidificadores o la ventilacin pueden abordar el tema de la condensacin.Los tipos ms importantes son: Domos Bvedas cilndricas Cscaras cilndricas o de simple curvatura Cpulas Paraboloide hiperblico o cscaras de doble curvatura Bvedas de aristasY un caso especial son las placas plegadas pudiendo ser las mismas: Prismticas No prismticas Polidricas

Cscaras de simple curvaturaSon aquellas que estn basadas en el cilindro y el cono, utilizando los principios del arco y la bveda, segn su geometra pueden llegar a soportar grandes luces y se les ha dado gran importancia a lo largo del mundoFlix Candelaes considerado el gran maestro de las cubiertas o cascarones de hormign armado. La complejidad matemtica de estas estructuras laminares contrasta con la belleza y sencillez de sus formas, su economa, gran resistencia y ligereza con espesores muy reducidos.La mayor parte del relevante legado de Candela fue construido en Mxico en los aos 50s y 60s. Parte del xito de Flix Candela consisti en que fue capaz de auto capacitarse para actuar dentro del medio de la arquitectura como arquitecto, ingeniero y constructor. En su obra se puede apreciar todos los ejemplos de construcciones laminares: en forma de cpula, cilndrica, e hiperblicos.El Pabelln de Rayos Csmicos que se construy en el ao de 1951 se ha convertido en uno de los edificios conos del conjunto por su originalidad y su atinada ubicacin. Aun siendo de pequea escala, contiene el potencial plstico y constructivo de cubiertas ligeras utilizada muy frecuentemente en mercados, almacenes, iglesias, restaurantes, etc., en la arquitectura significativa de Mxico y que ha trascendido incluso internacionalmente.El mismo est basado en una cscara de curvatura simple, siendo esta la cilndrica. Debido a la sencillez de empleo y de diseo y por las grandes capacidades mecnicas de las mismas, han sido empleadas en millones de obras estructurales y en bastantes en el mbito nacional.

Losas plegadasLas estructuras formadas por plegaduras de hormign armado constituyen un conjunto de formas estructurales cuya vigencia tuvo una duracin que apenas super las dos dcadas.En efecto, si se considera el conjunto de sus realizaciones efectivas, stas se aprietan mayoritariamente entre comienzo de los aos 50 y el final de los 60 del siglo XX. Singularmente puede certificarse su final con el Congreso de la Internacional Asociation of Shell Structures (IASS) celebrado en Viena en 1970. En l se presentaron las ltimas y ms grandes realizaciones con este sistema (Sala de Conferencias de la UNESCO, en Pars de Nervi, Breuer y Zehrfuss y un hangar para la Alleghany Airlines en el aeropuerto Logan de Boston, salvando este ltimo una luz rcord de 75,86 m con una lmina plegada simple). No obstante las esperanzas puestas en la geometra de plegaduras, en buena parte alentadas por dicho Congreso, apenas se hicieron ya obras destacables a partir de la fecha del mismo. Por otra parte, apenas se han estudiado en su conjunto, existiendo muy contados trabajos al respectoEn Espaa el periodo de auge de lminas plegadas de hormign estuvo representado por un limitado nmero de obras que presentan gran inters en cuanto a su variedad y calidad arquitectnica. El profesor Cassinello presento con este sistema lo siguiente: las lminas plegadas, definidas por planos que se cortan, ofrecen indudables posibilidades de aplicacin al ser capaces de dar un gran canto, pese a su poco espesor, y una gran rigidez transversal, gracias a su forma (fig. 1). Est tambin entre sus ventajas el hecho de que: la dificultad de encofrar superficies de simple o doble curvatura se elimina con la solucin de lminas plegadas. Y as, como superficies polidricas inscritas en bvedas o cpulas pueden resolver gran nmero de estructuras de este tipo. Desde el punto de vista del comportamiento estructural, F. Candela clasifica las estructuras prismticas y losas dobladas como aquellas que, a diferencia el resto de estructuras laminares, estn sometidas a rgimen mixto de esfuerzos de membrana y flexin.FIGURA 1: LABORATORIOS ALTER Fuente: ArquiMagazine n 14, 2014

Existen varios ejemplos de cubiertas utilizando estos tipos de losas en varios de los edificios de carcter religioso de Coello de Portugal. Este arquitecto emple con frecuencia las placas plegadas en algunas partes de sus edificios siendo uno de los principales arquitectos espaoles en el uso de plegaduras de hormign. Una utilizacin ms sistemtica de lminas plegadas para cubiertas se realiz en el Monasterio de Santa Catalina de Siena (Figura 2) en la localidad madrilea de Alcobendas a partir de la forma a cuatro aguas con limahoyas en las diagonales. Esta sencilla forma, que tambin puede verse como la interseccin de dos cubiertas a dos aguas perpendiculares entre s, tiene la ventaja, de que al construirse mediante una lmina continua, no es desarrollable sobre un plano y por tanto es rgida y estable en s misma. Su imagen desde arriba es tradicional, ya que en nada se diferencia de las cubiertas de faldones convencionales, pero desde su intrads es muy diferente ya que se percibe como una contra forma en negativo, en la que la naturaleza de los plegamientos cobra un especial protagonismo.Esta forma base se emple en la cubierta del claustro, y fue hormigonada conjuntamente dando lugar a una lmina continua, colaboraba por un sistema de apoyos, con reducidos soportes metlicos situados en sus esquinas. Con mayor dimensin la misma lmina de planta cuadrada tipo se utiliz como cubierta de la iglesia, jugando en este caso con variaciones en las pendientes.FIGURA 2: MONASTERIO DE SANTA CATALINA DE SIENA. Fuente: ArquiMagazine n 14, 2014

La misma solucin fue empleada bastante ms recientemente por el mismo arquitecto en el Monasterio de Jess y Mara en Toledo Tambin merece citarse la curiosa solucin de lminas de la planta superior del claustro del Monasterio de la Encarnacin de Lejona en Vizcaya (Figura 3). Corresponde a una cubierta a dos aguas. A ella se le superponen en perpendicular series de pliegues triangulares muy peraltados y cruzados transversalmente, los cuales se manifiestan en el borde libre como agudas elevaciones.FIGURA 3 MONASTERIO DE LA ENCARNACIN, Fuente: ArquiMagazine n 14, 2014Actualmente las nuevas tendencias arquitectnicas han llevado a un desarrollo amplio de las losas plegadas a lo largo de Europa y EEUU, debido a las grandes posibilidades a las que dan las mismas y que generan bastante espacio ya que por su geometra tienden a auto sostenerseEn Bolivia, no se han registrado usos muy importantes de las losas plegadas. Es por el mismo motivo que el presente trabajo tratar de llevarlo a la realidad boliviana buscando ajustar un presupuesto del mismo.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Identificacin del problemaA travs de la historia, el hombre se ha vuelto un maestro en disminuir el peso por metro cuadrado en las estructuras de construccin civil, debido a que se percat de que en general, el peso implica mayor uso de materia prima, tanto en la estructura que cubre como en la estructura que lo soporta. El presente trabajo tiene como objetivo la reduccin de la materia prima en una misma superficie, adems que no solo reducir el material requerido sino que ser un beneficio para el que solicita el trabajo como tambin repercutir en un mejor aprovechamiento en la utilizacin de los recursos del pas. As, se ha visto que el espesor de un techo puede reducirse al realizar pliegues que dan la estabilidad y rigidez necesarias para que est en condiciones de servicio, en comparacin de utilizar los elementos curvos. Es por este hecho que es necesario realizar una comparacin entre estos elementos para dar un mejor aprovechamiento de los recursos al momento de emplearlos

Planteamiento del problemaDe qu manera se puede reducir los presupuestos elevados en obras civiles, realizar un mejor aprovechamiento de la materia prima en la construccin, con una mejor dificultad de encofrado, tomando en cuenta que existe poca disposicin de materia prima, encofrados dificultosos en cubiertas de tipo curvos y que los presupuestos reduciran si se reduce los volmenes de obra?

Diagrama causa y efectoFIGURA 4: DIAGRAMA CAUSA EFECTO,

Fuente: Elaboracin propia

OBJETIVOS

Objetivo GeneralRealizar un estudio comparativo para el diseo de cubiertas de losas plegadas y cscaras de simple curvatura en la construccin de laboratorios de ingeniera civil-EMI Alto Irpavi para reducir la materia prima empleada en una superficie reduciendo as volmenes de obra y costos

Objetivos especficosRealizar el clculo de solicitaciones con el programa SAP 2000 15 de la terminal usando losas plegadas. Realizar el clculo de solicitaciones con el programa SAP 2000 15 de la terminal usando cscaras de simple curvatura. Realizar el diseo estructural de losas plegadas por el mtodo de David Yitzhaki. Realizar el diseo estructural utilizando cscaras de simple curvatura mediante la norma ACI. Realizar el presupuesto de las distintas tecnologas propuestas y comparar los costos entre ellos.JUSTIFICACIN.

Justificacin TcnicaEs necesario realizar una comparacin de diseo y econmica entre las losas plegadas y cscaras de simple curvatura de hormign armado, debido a que las losas plegadas son un recurso estructural que no ha sido muy utilizado a lo largo del pas, y al compararlo con un elemento utilizado bastante en las obras de construccin civil, se tendr una referencia ms cercana para poder apreciar los resultados a los que se llegar

Justificacin econmicaDebido a que el presupuesto general en un proyecto puede llegar a ser un factor determinante en la decisin de ponerlo en marcha, es importante encontrar mtodos que logren satisfacer las caractersticas de los nuevos proyectos y requerimientos de los mismos a un costo ms factible. La motivacin del presente proyecto es la de reducir los volmenes de obra siendo este uno de los factores ms influyentes en el presupuesto de una obra

Justificacin socialLa elaboracin de laboratorios de nuevos laboratorios de ingeniera civil en EMI Alto Irpavi, mejorar la calidad acadmica en la Escuela Militar de Ingeniera, teniendo espacios amplios aplicando la tecnologa de las losas plegadas.

Justificacin ambientalLa reduccin de materia prima en la construccin civil, es uno de los aspectos de ms inters en la realizacin de proyectos a lo largo del estado, debido a que esto beneficiar al pas dndole un mejor uso y empleo de la misma. Es por este motivo que es necesario contar con una alternativa eficiente en el diseo de proyectos que reduzca la utilizacin de materia prima, siendo las losas plegadas una propuesta que se debe tomar en cuentaALCANCE

Alcance TemticoPara la realizacin del proyecto es necesario el conocimiento de las siguientes ramas de ingeniera: Geotecnia Hormign Armado Clculo y diseo de losas plegadas Teora de la elasticidad Economa y administracin de proyectosAlcance GeogrficoLa comparacin de los distintos mtodos para calcular losas plegadas se realizar en el diseo de laboratorios en la Escuela Militar de Ingeniera ubicada en Alto Irpavi, Alcance TemporalLa realizacin del presente proyecto se realizar segn normativa vigente de la Escuela Militar de Ingeniera en un total de 2 semestres acadmicos.

FUNDAMENTACIN TERICA Hormign ArmadoEl hormign es un material con propiedades mecnicas y de durabilidad ideales para construccin civil, adems de que es un material muy moldeable. Es un material resistente a los esfuerzos de compresin solicitados en las obras. El problema del hormign como material de construccin radica a la resistencia a la traccin que tiene, que llega a ser despreciable comparada con las solicitaciones necesarias.Es por este motivo que es necesario implementarle un material que sea resistente a los esfuerzos de traccin elevados, adems que el hormign por si solo es un material frgil siendo un problema ya que es necesario que los elementos estructurales sean dctiles, permitiendo que los elementos estructurales se deformen apreciablemente antes de la falla. Un material idneo para dar estas caractersticas faltantes en el hormign es el acero, teniendo una gran ductilidad y resistencia a la traccin.La teora de vigas de Euler-Bernoulli no es funcional para el clculo del hormign armado, debido a que la misma no contempla el uso de dos materiales. Debido a las diferentes propiedades mecnicas de ambos materiales la tensin mecnica varia tambin en ellos, es por esta razn que la teora de Euler-Bernoulli no funciona ya que considera estas propiedades homogneasAl disear una estructura se debe realizar una comparacin entre la magnitud de las solicitaciones y la capacidad resistente. En principio, la capacidad resistente debe ser mayor en un cierto porcentaje que la magnitud de las solicitaciones, de modo que el trabajo de la estructura tenga un nivel apropiado de confiabilidad en cuanto al comportamiento, ante las cargas reales de diseo.Esa diferencia entre las solicitaciones externas y la capacidad resistente interna es la que proporciona los diferentes niveles de seguridad a la estructura. Los estados de carga que actan permanente o frecuentemente sobre la estructura tendrn niveles de seguridad algo ms altos que los estados de carga que ocurren muy ocasionalmente.Existen 2 alternativas de modelos de diseo estructural que utilizan los cdigos para lograr tcnicamente el manejo de esa diferencia necesaria entre las solicitaciones y la capacidad resistente: Diseo por esfuerzos admisibles Diseo por capacidad resistenteDiseo por Esfuerzos Admisibles.En el diseo por esfuerzos admisibles o diseo para cargas de servicio, la capacidad resistente de la estructura, del elemento estructural o de la seccin especfica de un elemento estructural (propiamente el esfuerzo mximo del material que provoca la rotura o que genera grandes deformaciones) se divide para un factor de seguridad aceptable para volverla comparable con la magnitud de las solicitaciones (comparable con los esfuerzos generados por las cargas de servicio).Se consigue un diseo apropiado cuando la magnitud de las Solicitaciones no supera a la Capacidad Resistente dividida para el Factor de Seguridad.Las estructuras de hormign pre-esforzado y las de madera se suelen disear bajo este criterio.Diseo por Capacidad Resistente.En el diseo por capacidad resistente, las solicitaciones que actan sobre la estructura se mayoran mediante factores apropiados para que las acciones exteriores sean comparables con la capacidad resistente de la estructura, del elemento estructural o de la seccin especfica de un elemento estructural.Se consigue un diseo apropiado cuando la magnitud de las solicitaciones mayoradas no supera a la Capacidad Resistente.Las estructuras de hormign armado y de acero laminado en caliente, y los puentes se suelen disear bajo este criterio.Debido a que el material usado en la losa plegada es hormign armado, es importante el conocimiento del fundamento en el que se basa el diseo de hormign armado

Losas plegadas de Hormign ArmadoEl comportamiento de las placas plegadas se favorece al tener fuerzas de membrana debido a su geometra que hace que, adems de las fuerzas debidas a flexin, aparezcan fuerzas horizontales que dan resistencia al sistema. Para lograr que la estructura tenga estabilidad es necesario restringir su desplazamiento, colocando diafragmas extremos o intermedios.Adicionalmente, para resistir torsin y/o flexin, se requieren trabes en las aristas que mejoran el comportamiento estructural en general.Para mejorar la estabilidad de un sistema de placas plegadas, se colocan en sus extremos, los diafragmas transversales, que pueden ser de dos tipos:1) Diafragmas completamente rgidos (porciones slidas).2) Diafragmas elsticos.Se analizarn los siguientes mtodos para realizar la comparacin de diseo de las mismas: Mtodo de David Yitzhaki Adems se realizar el clculo con el software SAP 2000 15MARCO METODOLGICOEl presente proyecto de grado es del tipo transcriptivo debido a la metodologa que emplea siendo esta Se apoyan en los datos y la informacin obtenidos de textos y documentos de referencia. Con su anlisis se pretende aportar conocimientos adicionales sobre lo que se est investigando.TABLA 1 ACCIONES MTODOObjetivos EspecficosAccionesMtodo

Realizar el clculo estructural con el programa SAP 2000 15 de la terminal usando losas plegadas.-Diseo de planos arquitectnicos utilizando losas plegadas-Realizar el clculo de solicitaciones mediante SAP 2000 15Modificar planos ya obtenidos en AutoCAD

Ingresar datos de planos a SAP 2000 15

Realizar el clculo estructural con el programa SAP 2000 15 de la terminal usando cscaras de simple curvatura.-Diseo de planos arquitectnicos utilizando una cscara de simple curvatura-Realizar el clculo de solicitaciones mediante SAP 2000 15Modificar planos ya obtenidos en AutoCAD

Ingresar datos de planos a SAP 2000 15

Realizar el diseo estructural de losas plegadas por el mtodo de David Yitzhaki.-Realizar el diseo estructural segn el mtodo Yitzhki-Analizar Resultados obtenidosTeora de Losas Plegadas

Comparar dimensiones con estructura con cscara de simple curvatura

Realizar diseo estructural utilizando cscaras de simple curvatura. Mediante la norma ACI.-Realizar el diseo estructural segn norma ACI utilizando datos-Analizar Resultados obtenidosHormign Armado

Comparar dimensiones con estructura con losas plegadas

Realizar el presupuesto de los distintos mtodos y comparar los costos entre ellos.

Obtener los volmenes de obra segn diseoComparar costos segn cmputos mtricosEconoma y administracin de proyectos

Realizar comparacin econmica entre ambas estructuras

Fuente: Elaboracin Propia

TEMARIO TENTATIVOCAPTULO I: GENERALIDADES1.1. INTRODUCCIN1.2. ANTECEDENTES1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA1.4. OBJETIVOS1.5. JUSTIFICACINCAPTULO II: MARCO TERICO2. 2.1. GEOTECNIA APLICADA AL PROYECTO2.2. DISEO DE TERMINALES DE BUSES2.3. DISEO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGN ARMADO2.4. COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE PLACAS PLEGADAS.2.5. APLICACIN DE LA NORMA ACI EN EL PROYECTOCAPITULO III: INGENIERA DE PROYECTO3. 3.1. UBICACIN DEL PROYECTO3.2. DISEO DE PLANOS PARA LA TERMINAL DE BUSES- ZONA SUR3.3. CALCULO DE LAS SOLICITACIONES DE LA TERMINAL DE BUSES UTILIZANDO LOSAS PLEGADAS POR MEDIO DEL PROGRAMA SAP 2000 153.4. DISEO ESTRUCTURAL DE LA TERMINAL DE BUSES UTILIZANDO LOSAS PLEGADAS SEGN MTODO YITZHAK.3.5. PLANOS ESTRUCTURALES DE LA TERMINAL DE BUSES UTILIZANDO LOSAS PLEGADASCAPITULO IV: COSTOS Y PRESUPUESTOS4. 4.1. PRECIOS UNITARIOS4.2. CMPUTOS MTRICOS4.3. PRESUPUESTO GENERAL4.4. COMPARACIN ECONMICACAPITULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES5. 5.1. CONCLUSIONES5.2. RECOMENDACIONESBIBLIOGRAFAANEXOS

1

CRONOGRAMA DE TRABAJO

Fuente: Elaboracin propia PRESUPUESTO TRABAJO DE GRADOTABLA 2: PRESUPUESTO DE TRABAJO DE GRADO,tem 1unidadcantidadprecio por unidadprecio total

Paquete hojas Bond paquete430120

Cartuchos de impresoraunidad5150750

Empastadosunidad1250600

1470

tem 2

Fotocopiasunidad10000.1100

100

tem 3

Data Showhora1050500

500

tem 4

Imprevistos-1500500

500

tem 5

Paga por trabajo de grado-148004800

4800

Total7370Bs

Fuente: Elaboracin Propia

FUENTES DE CONSULTATesis doctoral Estudio comparativo mtodos de losas plegadas Ing. Carlos EscobedoLosas de ferro-cemento- Ing. Luis Fernando VsquezNorma ACI cap. 19Dos dcadas de estructuras plegadas de hormign R. GarcaReglamento CIRSOC 210 cap. 19Analysis of Thin Concrete Shells Revisited- Bart Peerdeman, 2008Concrete Folded Plate Roofs- C. B. Wilby