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Pontificia Universidad Javeriana Facultad de Ingeniería Carrera de Ingeniería Civil Estudio de los niveles de esfuerzos, desplazamientos y efectos de esbeltez, con y sin arriostramientos de la estructura
Pontificia Universidad Javeriana Facultad de Ingeniería Carrera de Ingeniería Civil Estudio de los niveles de esfuerzos, desplazamientos y efectos de esbeltez, con y sin arriostramientos de la estructura de la Torre de la Escollera en la Ciudad de Cartagena, Colombia. Memoria para optar al Título de: Ingeniería Civil Profesor Guía: Federico Alejandro Núñez Moreno, IC, MSE.Ph.D MARÍA CAMILA CARRASCAL JIMÉNEZ GERALDINE CIFUENTES TARQUINO 2016 i Estudio de los niveles de esfuerzos, desplazamientos y efectos de esbeltez, con y sin arriostramientos de la estructura de la Torre de la Escollera en la Ciudad de Cartagena, Colombia. María Camila Carrascal Jiménez Geraldine Cifuentes Tarquino PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA SEDE BOGOTÁ FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Bogotá, Mayo de 2016 ii RESUMEN La Torre de la Escollera seria el edificio más alto de Colombia con metros de altura, ubicado en Bocagrande, Cartagena. Sin embargo, el día 13 de mayo de 2007, cuando la Torre alcanzó la altura de metros, se presentó un fuerte viento en la Ciudad de Cartagena, el cual afectó la estructura metálica de la Torre de la Escollera, llevándola a presentar una inclinación de 1 metro con su mayor curvatura en el piso 28, imposibilitando la continuación de la construcción. Se consideró el desmonte de la torre debido a la intervención de las autoridades con la asesoría y el seguimiento realizado por la Sociedad de Ingenieros y Arquitectos del departamento de Bolívar. El presente trabajo tiene como objetivo estudiar los niveles de esfuerzos, desplazamientos y efectos de esbeltez de la estructura de la Torre de la Escollera en la Ciudad de Cartagena. El análisis y diseño del modelo de la torre de la escollera se realizaron con el programa SAP2000 en su versión con el fin de modelar la estructura tal y como se presentó al momento de la falla. El modelo estructural se analizó con las cargas muertas, vivas y de sismo de las memorias de cálculo del diseñador estructural. Para el cálculo de la carga de viento según las exigencias del entorno y la complejidad de la estructura, se realizó un análisis completo, tomando como referencia la Norma NSR98, donde la velocidad de viento de diseño fue de km/h, y se tuvo en cuenta el coeficiente de topografía, rugosidad del terreno, el grado de seguridad, la vida útil de la estructura y la altura sobre el nivel del mar. Se realizó un análisis comparativo de la estructura como se encontraba cuando falló (solo vigas y columnas principales) y de la estructura completa (con vigas y columnas principales y los arrostramientos diseñados previamente). También se estudió su comportamiento teórico ante la carga de viento de diseño para la región de Cartagena estipulada en el ASCE7, norma iii que estaba en plena vigencia durante el diseño y construcción del edificio, y la carga de viento registrada por el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales) para el 13 de mayo de El sistema estructural de diseño es aporticado arriostrado excéntricamente y concéntricamente, las columnas son de sección compuesta con núcleo en concreto recubierto con acero estructural tipo HSS, y las vigas son metálicas al igual que las diagonales. Los resultados de SAP2000 que se anexan a este trabajo, nos permitieron describir y detallar las posibles causas de la falla durante la construcción. Adicionalmente, los resultados del modelo se contrastan con fotografías de la estructura y su geometría de falla. Según los resultados obtenidos las causas que llevaron a la estructura a fallar, fue, el mal tratamiento a los elementos estructurales metálicos, contra la corrosión, la ausencia de información sobre el detallado de conexiones de las diagonales, el inapropiado análisis para el cálculo de la fuerza de viento y la falta de rigidez de la estructura en el eje (y) durante el proceso constructivo. iv SUMMARY The Escollera Tower could have been the tallest building of Colombia with meters high, located in Bocagrande, Cartagena, Colombia. However, on May 13, 2007, when the tower reached the height of m, a strong wind struck the city of Cartagena, which affected the metal structure of the building, making it to have a sway of 1 meter with its greatest curvature on the 28th floor, stopping the construction. The disassembling of the tower took place by the intervention of the authorities with advice and monitoring by the society of engineers and architects of Bolivar department. This research aims to study, the stress levels, displacements and the effects of slenderness of the structure of the Escollera Tower in the city of Cartagena. The analysis and model of design of the tower were performed using SAP2000 program in its version in order to model the structure as presented at the time of collapse. The structural model was analyzed with the respective loads, dead, live, wind, and earthquake. To calculate wind load, the complete analysis, with reference to the NSR98 standard, is available where the velocity of the wind was km / h, the topography coefficient was accounted, ground roughness, degree of security, and the structural remaining life as well as the height above sea levels. The comparative analysis of the structure when failed (only main beams and columns) and the entire structure (with main beams and columns and bracing previously designed) as it was is available. Also it was studied the theoretical behavior of the design wind load for the region of Cartagena stipulated in the regulations and the wind load reported by the IDEAM ( Institute of Hydrology, Meteorology and Environmental Studies ) on May 13, v The SAP2000 results available at the annex to this work, allow us to describe and detail the probable causes of failure during construction. Additionally, the model results are compared with pictures of the structure and geometry of failure. Many factors led to the structure to fail, within those, bad treatment of steel elements, corrosion, the absence of information on the detailed connections of the diagonals, inappropriate analysis when calculating the wind force and lack of stiffness of the structure in the axis (and) during the construction process. vi Agradecimientos A nuestro profesor y guía, el Ing. Federico Alejandro Núñez, por su constante apoyo y disposición. Al Ing. Luis Garza Vásquez por permitir el acceso a la información requerida para el desarrollo del trabajo de grado. Al Ing. Greisman Cifuentes Silva por impulsarnos a la realización de este proyecto con su aporte invaluable. Al Arq. Uldarico Carrascal Quin por compartir su interés, conocimiento y apoyo que fueron vitales para este trabajo. A nuestros padres por sus conocimientos, sus orientaciones, su persistencia, paciencia y motivación que han sido fundamentales para nuestra formación. vii Tabla de contenido CAPÍTULO I... 2 INTRODUCCIÓN PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS PALABRAS CLAVE... 4 CAPITULO II... 6 MARCO TEÓRICO EFECTOS DE ESBELTEZ ANÁLISIS ETÁTICO NO LINEAL ( PUSHOVER ) CÓDIGO DE CONSTRUCCIÓN (NSR98) RIGIDEZ SECCIÓN COMPUESTA TIPOS DE COLAPSOS ESTRUCTURALES ACERO ESTRUCTURAL ACCIÓN DEL VIENTO EN EDIFICIOS DISEÑO SISMO RESISTENTE ARRIOSTRAMIENTO LATERAL EN EDIFICIOS.22 CAPITULO III viii METODOLOGÍA METODOLOGIA CAPITULO IV ANTECEDENTES GENERALES DE LA EDIFICACIÓN ANTECEDENTES DE LA EDIFICACION EN ALTURA ANTECEDENTES DE LA EDIFICACION ARTÍCULOS ESTUDIADOS PARA EL ANTEPROYECTO CAPITULO V CONSIDERACIONES GENERALES Y BASES DE CÁLCULO BASES DE CÁLCULO ORIGINALES Características de la edificación del proyecto Materiales empleados Calidades y propiedades del acero Solicitaciones Combinaciones de carga Descripción sistemas utilizados BASES DE CÁLCULO PARA ESTA INVESTIGACIÓN Descripción del proyecto Materiales empleados Solicitaciones Combinaciones de carga Metodología de análisis ix 5.2.6 Descripción del sistema sismo resistente Arriostramientos Normas y Códigos utilizados para el desarrollo de la investigación CAPITULO VI ANÁLISIS Y ESTUDIO COMPARATIVO DE LOS EDIFICIOS RIGIDECES AL DESPLAZAMIENTO Estudio de columnas sin definir una sección compuesta Contraste de las propiedades de las columnas circulares en acero y columnas de perfil tubular rellenas de concreto Análisis de rigidez al desplazamiento ANÁLISIS DE PARTICIPACIÓN DE MASAS ESPECTRO DE DISEÑO Cortante basal LIMITES MAXIMOS DE LA RELACION DE ESBELTEZ Nomenclatura para el cálculo de la resistencia a compresión de los PTE Resistencia de Diseño NSR Resistencia a Compresión AISC CALCULO DE UNO DE LOS ELEMENTOS PARA FINES DEMOSTRATIVOS Propiedades de la sección: Metodología (NSR98) Metodología (AISC) x 6.6 NIVELES DE ESFUERZOS Y ESTUDIO DE ESBELTEZ Niveles de esfuerzos Niveles de esfuerzos bajo la carga de viento de la NSR Niveles de esfuerzos bajo la carga de viento registrada por el IDEAM ESBELTEZ DEL EDIFICIO CAPITULO VII PATOLOGÍA ESTRUCTURAL BÁSICA PATOLOGIA ESTRUCTURAL BASICA DE LA TORRE DE LA ESCOLLERA CAPITULO VIII CARGA DE VIENTO CALCULO DE LA CARGA DE VIENTO Definiciones para el análisis de carga de viento ANALISIS DE LA CARGA DE VIENTO CON EL DISEÑO PREDETERMINADO DE ETABS DESARROLLO DE LA CARGA DE VIENTO PARA LA PRESENTE INVESTIGACIÓN MODELO CON ARRIOSTRAMIENTO (NSR98) Combinación (Con Arriostramiento, NSR98 Y) Combinación (Con Arriostramiento, NSR98 X) Modelo 4.0 de la Torre de la Escollera con la carga de viento en x, sugerida por la NSR xi 8.5.4 Modelo 4.0 digital de la Torre de la Escollera con la carga de viento en y, sugerida por la NSR MODELO CON ARRIOSTRAMIENTO (IDEAM) Combinación (Con Arriostramiento, IDEAM en dirección X) Combinación (Con Arriostramiento, IDEAM en dirección Y) Modelo digital 4.0 de la Torre de la Escollera con la carga de viento en x, para IDEAM Modelo digital 4.0 de la Torre de la Escollera con la carga de viento en y, para IDEAM MODELO SIN ARRIOSTRAMIENTO (NSR98) Combinación (Sin Arriostramiento, NSR98 Y) Combinación (Sin Arriostramiento, NSR98 X) Modelo de digital 4.0 de la Torre de la Escollera con la carga de viento en x, para la NSR Modelo de digital 4.0 de la Torre de la Escollera con la carga de viento en y, para la NSR MODELO SIN ARRIOSTRAMIENTO (IDEAM) Combinación (Sin Arriostramiento, IDEAM Y) Combinación (Sin Arriostramiento, IDEAM X) Modelo de digital 4.0 de la Torre de la Escollera con la carga de viento en dirección x registrada por IDEAM Modelo de digital 3.0 de la Torre de la Escollera con la carga de viento en dirección y registrada por el IDEAM xii 8.9 COMPARACION DE LOS DESPLAZAMIENTOS DE LOS MODELOS DE LA ESTRUCTURA, CON PRESENCIA Y SIN PRESENCIA DE LOS ARRIOSTRAMIENTOS LATERALES Desplazamientos para fuerza de viento registrada por el IDEAM Desplazamientos para fuerza de viento de diseño en Cartagena NSR DESPLAZAMIENTOS ABSOLUTOS CAPITULO IX ANÁLISIS DE RESULTADOS ANALISIS DE RESULTADOS EFECTOS DE ESBELTEZ ANÁLISIS PUSHOVER CAPITULO X CONCLUSIONES CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA ANEXOS ANEXO 1. Desplazamientos de las columnas circulares de acero en los ejes (Y=3.8 y Y= 7.65) ANEXO 2. Desplazamientos de las columnas circulares de acero en el eje (Y=12.8) 177 ANEXO 3. Desplazamientos de las columnas circulares de acero en los ejes (X=1.9 y X=8.85) xiii ANEXO 4. Desplazamientos de las columnas circulares de acero en los ejes (X=13.7 y X=20.65) ANEXO 5. Desplazamientos de las columnas PTE en los ejes (Y=3.8 y X=7.65) ANEXO 6. Desplazamientos de las columnas PTE en el eje (Y=12.2) ANEXO 7. Desplazamientos de las columnas PTE en los ejes (X=1.9 y X=8.85) ANEXO 8. Desplazamientos de las columnas PTE en los ejes (X=13.7 y X=20.65). 186 ANEXO 9. Desplazamientos ante un sismo de los diferentes modelos ANEXO 10. Análisis de participación de masas para el modelo sin diagonales ANEXO 11. Análisis de participación de masas para el modelo con diagonales ANEXO 12. Resistencia a la compresión de cada columna de la edificación ANEXO 13. Desplazamientos Torre de la Escollera con los diseños del calculista ANEXO 15. Fuerza de viento para el modelo Con diagonales ANEXO 16. Desplazamientos de las combinaciones de carga del modelo con arriostramiento Desplazamientos Modelo Con Arriostramiento ANEXO 17. Desplazamientos de las combinaciones de carga del modelo sin arriostramiento Desplazamientos Modelo Sin Arriostramiento ANEXO 18. Registros de mayo de 2007 del IDEAM Lista de figuras Figura 1. Efectos de esbeltez (Fanella, 2016)... 7 xiv Figura 2. Curva Pushover (Armouti, 2015)... 8 Figura 3. Rigidez de un resorte Figura 4. Esquema de la sección compuesta Figura 5. Curva Esfuerzodeformación de aceros estructurales de Acerías de Caldas Figura 6. Carga de viento Figura 7.Ubicación de edificios con más de 100 metros en altura Figura 8. Ubicación de edificios con más de 200 metros de altura Figura 9. Zapatas metálicas y Ubicación de los pilotes en una de las zapatas Figura 10. Vista en el plano YZ y la vista en el plano XZ Figura 11. Planta estructural nivel 47; nivel 48; nivel 49; nivel 50; nivel 51; nivel 52; nivel 53; nivel 54. Tomado de: Memoria de Cálculo Original de la Torre de la Escollera Figura 12. Propiedades columnas nivel Figura 13. Perfil tubular relleno de hormigón con nomenclatura de símbolos Figura 14. Cuadro de especificaciones de los materiales Figura 15. Sección tubular rellena de hormigón de columna 60x60x Figura 16. Propiedades de la sección tubular rellena de hormigón de columna 60x60x Figura 17. Tensión elástica de la sección tubular rellena de hormigón de columna 60x60x Figura 18. Propiedades de sección circular de acero de columna 60x60x Figura 19. Sección circular de acero columna 60x60x Figura 20. Propiedades del material de la columna circular Figura 21. Sección tubular rellena de hormigón de columna 40x40x Figura 22. Propiedades de la sección tubular rellena de hormigón de columna 40x40x xv Figura 23. Tensión elástica de la sección tubular rellena de hormigón de columna 40x40x Figura 24. Propiedades de sección circular de acero columna 40x40x Figura 25. Sección circular de acero columna 40x40x Figura 26. Propiedades del material de la columna circular Figura 27. Sección tubular rellena de hormigón de columna 40x40x Figura 28. Propiedades de la sección tubular rellena de hormigón de columna 40x40x Figura 29. Tensión elástica de la sección tubular rellena de hormigón de columna 40x40x Figura 30. Propiedades de sección circular de acero columna 40x40x Figura 31. Sección circular de hormigón acero 40x40x Figura 32. Sección circular de hormigón acero 40x40x Figura 33. Comparación de la rigidez al desplazamiento en dirección X y Y Figura 34. Comparación de desplazamientos de las columnas circulares de acero y las columnas de perfil tubular rellenas de concreto Figura 35. Espectro de diseño para la modelación estructural Figura 36. Desplazamientos ante un sismo de los modelos Figura 37. Niveles de esfuerzos para la carga de viento de la NSR98 en el edificio con riostras y sin riostras Figura 38. Niveles de esfuerzos para la carga de viento de la NSR98 en el edificio con riostras y sin riostras Figura 39. Niveles de esfuerzos para la carga de viento de la NSR98 en el edificio con riostras y sin riostras xvi Figura 40. Niveles de esfuerzos para la carga de viento de la NSR98 en el edificio con riostras y sin riostras Figura 41. Niveles de esfuerzos para la carga de viento IDEAM en el edificio con riostras y sin riostras Figura 42. Niveles de esfuerzos para la carga de viento IDEAM en el edificio con riostras y sin riostras Figura 43. Niveles de esfuerzos para la carga de viento IDEAM en el edificio con riostras y sin riostras Figura 44. Niveles de esfuerzos para la carga de viento IDEAM en el edificio con riostras y sin riostras Figura 45. Área total del edificio para el cálculo de la esbeltez Figura 46. La esbeltez para la fuerza de viento estipulada por la Norma (NSR98) en x y y Figura 47. La esbeltez para la fuerza de viento registrada por el IDEAM en x y y Figura 48. Deformación de la Torre de la Escollera. (Luis Garza y Orozco 2008) Figura 49. Fractura vertical soldadura columna (Garza y Orozco 2008) Figura 50. Detalle rotura soldadura en Columna (Garza y Orozco 2008) Figura 51. Detalle rotura en nudo (Garza y Orozco 2008) Figura 52. Rotura soldadura vertical (Garza y Orozco 2008) Figura 53. Detalle rotura (Garza y Orozco 2008) Figura 54. Detalle rotura vertical y pandeo (Garza y Orozco 2008) Figura 55. Detalle rotura en nudo (Garza y Orozco 2008) Figura 56. Sistema de nudos (Garza y Orozco 2008) Figura 57. Desplazamiento de 1m en el eje (x) de la Torre LA Escollera Figura 58. Detalle típico de diagonales del nivel xvii Figura 59. Detalle de las diagonales del Nivel 3 y Nivel Figura 60. Fuerza de viento en dirección x para la estructura original Figura 61. Fuerza de viento en dirección y para la estructura original Figura 62. Desplazamientos generados en X en la modelación original en ETABS de la estructura Figura 63. Desplazamientos generados en Y en la modelación original en ETABS de la estructura Figura 64. Mapa de Colombia para Fuerzas de viento (NSR98 B.6) Figura 65. Coeficiente de fuerza para edificios rectangulares (NSR98 Tabla B.6.74). 123 Figura 66. Fuerza de viento en Y para cada altura de modelo (Con Arr) según la NSR Figura 67. Fuerza de viento en X para cada altura de modelo (Con Arr) según la NSR Figura 68. Fuerza de viento en x. Derecha: desplazamiento generado por la carga de viento Figura 69. Fuerza de viento en Y. Derecha: desplazamiento generado por la carga de viento Figura 70. Fuerza de viento en X para cada altura de modelo (Con Arr) según IDEAM 135 Figura 71. Fuerza de viento en Y para cada altura de modelo (Con Arr) según IDEAM Figura 72. Fuerza de viento en x. Derecha: desplazamiento generado por la carga de viento Figura 73. Fuerza de viento en y. Derecha: desplazamiento generado por la carga de viento xviii Figura 74. Fuerza de viento en Y para cada altura de modelo (Sin Arr) según la NSR Figura 75. Fuerza de viento en X para cada altura de modelo (Sin Arr) según la NSR Figura 76. Fuerza de viento en x. Derecha: desplazamiento generado por la carga de viento Figura 77. Fuerza de viento en y. Derecha: desplazamiento generado por la carga de viento Figura 78. Fuerza de viento en Y para cada altura de modelo (Sin Arr) según IDEAM 146 Figura 79. Fuerza de viento en X para cada altura de modelo (Sin Arr) según IDEAM 147 Figura 80. Fuerza de viento en x. Derecha: desplazamiento generado por la carga de viento Figura 81. Fuerza de viento en x. Derecha: desplazamiento generado por la carga de viento en x Figura 82. Desplazamiento ante la velocidad de viento registrada por el IDEAM X Figura 83. Desplazamiento ante la velocidad de viento registrada por el IDEAM Y Figura 84. Desplazamiento ante la velocidad de viento registrada por la NSR98 X Figura 85. Desplazamiento ante la velocidad de viento registrada por la NSR98 Y Figura 86. Desplazamientos absolutos ante la velocidad de viento registrada por el IDEAM Figura 87. Desplazamientos absolutos ante la velocidad de viento según la NSR Figura 88. Desplazamiento ante la velocidad de viento registrada por la NSR98 X Figura 89. Comparación de la geometría de la falla con el modelo estructural con diagonales Figura 90. Desplazamientos absolutos de la fuerza de viento registrada por el IDEAM 159 xix Figura 91. Desplazamientos absolutos de la fuerza de viento según la Norma Figura 92. Rigidez de los modelos en el eje X Figura 93. Rigidez de los modelos en el eje X Figura 94. Análisis Pushover de la estructura arriostrada Figura 95. Análisis Pushover de la estructura sin diagonales Figura 96. Análisis comparativo de los modelos Figura 97. Resultados del análisis Pushover, step Lista de tablas Tabla 1. Especificaciones de los edificios Tabla 2. Especificaciones de los materiales empleados Tabla 3. Tabla resumen de las propiedades de la sección COL60x60x Tabla 4. Tabla resumen de las propiedades de la sección COL40x40x Tabla 5. Tabla resumen de las propiedades de la sección COL40x40x Tabla 6. Análisis de participación de masas para l
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