Tarea 1 Taller (MFV)

Tarea 1
Taller de estructuras
Alumno: Matías Flores Vásquez

Fecha de Entrega: 23/10/2020
Docente: Ing. Civil Daniel Toro Prado.
Curso: Taller de Estructuras.
Índice
1. PLANTEAMIENTO DINÁMICO
1.1 RIGIDEZ ESTRUCTURA METÁLICA
1.2 RIGIDEZ DEL ESTANQUE MAS EL LÍQUIDO
1.3 MATRIZ DE MASA
1.4 FRECUENCIA PROPIA DEL SISTEMA
1.5 PERIODOS DE LA ESTRUCTURA
1.6 COEFICIENTE SISMICO Y CORTE BASAL
1.7 SERVICIALIDAD Y DESPLAZAMIENTOS MÁXIMOS SEGÚN LA NCH 2369
2. CONSIDERACIONES DE DISEÑO
2.1 NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO
3. MATERIALES
3.1 DISEÑO Y VERIFICACIÓN DE ELEMENTOS ACERO DE LA ESTRUCTURA DE SOPORTE
4. CARGAS
4.1 CARGAS MUERTAS
4.2 CARGAS VIVAS
4.3 CARGAS DE OPERACIÓN
4.4 CARGAS DE NIEVE
4.5 CARGAS DE VIENTO
4.6 CARGAS SÍSMICAS
5. COMBINACIONES DE CARGA NCH2369
5.1 DEFINICIÓN DE CARGAS
5.2 COMBINACIONES DE CARGAS ADMISIBLES NCH 3171
6. DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES
6.1 DISEÑO VIGAS DE PLATAFORMA DE ESTANQUE
7. DISEÑO DE FUNDACIONES
8. PREGUNTAS.
1.- PLANTEAMIENTO DINÁMICO.
Realizaremos un análisis modal y sísmico para el diseño estructural de una torre metálica de 15
metros de altura, que soportará un estanque de una capacidad de 15 𝑚3 para almacenar agua
potable. Los tanques elevados difieren de los tanques apoyados sobre el terreno debido a que
están formados por dos partes: el elemento de apoyo y el contenedor. En décadas pasadas se
han presentado numerosas fallas en este tipo de estructuras debidas a eventos sísmicos. Como
análisis o modelación utilizaremos un modelo de 2 grados de libertad de masas concentradas,
tanto convectivas, impulsivas, de la estructura, y la rigidez asociada a ambos elementos.
Fuente: Elaboración propia.
- El modelo de masas discretas de la parte inferior toma en consideración las variables

de la masa impulsiva, la masa del estanque y la masa de la estructura.
- La parte superior está comprendida por la masa convectiva en función de los resortes.
- La rigidez del modelo de masas discretas se distribuye con la rigidez de la estructura

en la parte inferior, y la rigidez de la parte superior comprende el líquido y el estanque.
1.1. RIGIDEZ DE LA ESTRUCTURA METÁLICA
- La estructura metálica cuenta con 15 elementos como armadura plana.
- Analizaremos primero la Rigidez de la estructura metálica, probando con 3 tipos de perfiles

O 162 x 23,08 para las columnas, XL 20 x 12,1 para las diagonales y para las barras
horizontales perfiles TL 8 x 9,63.
- El método Físico para el cálculo de rigidez será mediante el método de los Nodos y con una
Carga Virtual de 1 ton, para así conocer el desplazamiento, y mediante la Ley de Hooke
obtener la rigidez.
- Comprobaremos que la rigidez y desplazamientos calculados manualmente es similar con el

Software Sap2000 v 21
- Según la cubicación el Peso de nuestra estructura metálica es de 5325,4 kg o 5,33 ton
- Por catálogo el peso del estanque; Cuba Acero A370-240ES, es de 1530 kg o 1,35 ton
1.2. RIGIDEZ DEL ESTANQUE MAS EL LÍQUIDO. (Kc)
- La matriz de rigidez nos queda presentada por lo descrito anteriormente, donde

Ki = 6,26 ton/cm, y kc= 0,0375 ton/cm
1.3. MATRIZ DE MASA.
- Se consideró el peso del estanque de 1,35 ton en la cubicación del acero. (mtan)
- El peso del Estanque se obtuvo de un catálogo para una Cuba de Acero A370-240ES,
pintado
La matriz de masa queda distribuida:

1.4. FRECUENCIA PROPIA DEL SISTEMA.
1.5. PERIÓDOS DE LA ESTRUCTURA.
Modo 1:
Modo 2:
- Comprobamos con Sap2000 que manualmente llegamos a valores similares.

1.6. COEFICIENTE SÍSMICO Y CORTE BASAL
- Se analizará según la Nch2369 para el tipo de suelo IV.

- El periodo se obtendrá directamente del modelo realizado Sap2000
- El espectro viene definido por la NCh 2369.
Modelo Sap2000
1.7. SERVICIALIDAD Y DESPLAZAMIENTOS MÁXIMOS SEGÚN NCh 2369.
- La deformación admisible nos muestra que es de 4,81 cm y no excede la máxima que es de

22,5 cm, por lo tanto, cumplimos con la norma de desplazamientos máximos de la NCh
2369.
ANEXO 2
Diseño estructural
2. CONSIDERACIONES DE DISEÑO.
El estanque ha sido diseñado y calculado basándose en lo establecido en la norma

NCh 2369 of. 2003 para suelo Tipo IV y para Zona Sísmica 2.
En la selección del sitio de implantación del estanque se debe considerar que el suelo
sobre el cual se apoyarán las fundaciones debe tener las siguientes tensiones de
contacto admisible.
2.1. NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO
- NCh1537Of.86 - Diseño Estructural de Edificios – Cargas Permanentes y

Sobrecargas de Uso.
- NCh2369Of.2003 - Diseño Sísmico de Estructuras e Instalaciones
Industriales.
- Manuales y metodología IDIEM (Universidad de Chile) y Aguas Andina.
- AISC 2005.Specification for Structural Steel Buildings. LRFD.

- Seismic Design of Storage Tanks. New Zealand National Society
Earthquake Engineering.
- ICHA. Manual de Diseño para Estructuras de Acero. 2001.
3. MATERIALES
- Acero A 370 240 ES para elementos metálicos.

- Hormigón G-30 con 90% de nivel de confianza para fundaciones.
- Hormigón G-5 para emplantillados
- Acero A 630 420 H para elementos de Hormigón Armado
3.1. DISEÑO Y VERIFICACIÓN DE ELEMENTOS DE ACERO DE LA

ESTRUCTURA DE SOPORTE
Para el diseño y verificación de elementos se Han considerado las
especificaciones indicadas por el AISC, utilizando el método “Load
Resistance Factor Design” LRFD
4. CARGAS
4.1 Cargas muertas: Se considerará como cargas muertas las siguientes: peso
de las estructuras, techumbres, pisos, muros, paneles, plataformas, equipos
permanentes, materiales almacenados, empujes estáticos de suelos y todo tipo
de carga que esté permanentemente aplicada en la estructura a diseñar.
4.2 Cargas Vivas: Se considerará como cargas vivas las siguientes: cargas
debido al tráfico y/o permanencia de personas y en general todo tipo de
cargas que no estarán permanentemente aplicadas en la estructura a
diseñar. La norma que indica el valor de la sobrecarga a usar en el diseño
es la Nch 1537 of 2009.
4.3 Cargas de operación: Se considerará de este tipo todas aquellas cargas

que aparecen por efecto de la puesta en marcha, funcionamiento y
detención de maquinarias o puente grúa, presiones no equilibradas en
piezas especiales, estructuras afectadas por golpes de ariete, etc. Estas
cargas (tensiones bajo impacto y cargas de operación) serán indicadas por
el fabricante, y las cargas para puentes grúa se pueden obtener de "Guide
for the Design and Construction of Steel Mill Buildings"
4.4 Cargas de Nieve: Se diseña de acuerdo a Nch 431 of 77
4.5 Cargas de Viento: Se diseña de acuerdo a Nch 432 of 2010
4.6 Cargas sísmicas: Los edificios se diseñarán de acuerdo a la norma Nch

433 of 2009. Para el resto de las estructuras en que esta norma no es válida,
se usará la zonificación sísmica de esta norma para encontrar la aceleración
efectiva máxima del suelo que servirá para calcular las correspondientes
solicitaciones
5. COMBINACIONES DE CARGA (NCh 2369)
5.1 Las cargas para estructuras deben combinarse de la siguiente manera:
- AE = presión de agua con estanque a máxima capacidad

- PP = peso propio de la estructura
- SE = sismo sobre la estructura en X
- SED= Sismo dirección diagonal o sismo en Y
5.2 combinaciones de cargas admisibles NCh 3171:

6. DISEÑO ELEMENTOS ESTRUCTURALES.
Se han seleccionado perfiles tentativos y veremos si cumplen con las solicitaciones

últimas mediante el diseño a flexión.
Tabla Resumen Elementos XL
6.1 DISEÑO VIGAS DE PLATAFORMA DE ESTANQUE
- Viga HN 20 X 39,9
- Utilizaremos la tabla de relaciones de compactación de la NCh 2369.
- Viga de acero IN 20 x13,8
- El marco de la plataforma son los perfiles HN 20x39,9 (rojo)

- Las vigas interiores, verticales como horizontales son los perfiles IN 20x13,8 (azul).
7. DISEÑO DE FUNDACIONES
La fundación del estanque consiste en cuatro zapatas de hormigón armado amarradas

entre sí con vigas de fundación de hormigón armado. Las zapatas están formadas por una
losa de 2,00 x 2,00 m en planta y de 50 cm de espesor, la que se encuentra fundada a
-2,50 m con respecto al nivel del terreno terminado. La estructura del estanque se une a la
losa antes indicada con pedestales de 0,65 x 0,65 m de sección en planta y 2,15 m de
altura. Las vigas de fundación se conectan a los pedestales cerca del extremo superior de
éstos y tienen una sección recta de 0,50 m de altura y 0,25 m de ancho. La separación
entre los ejes de los pedestales es de 7,00 m en cada dirección ortogonal.
7.1 MODELO
Para el análisis sísmico, cuando la fundación trata de deslizar, se considera el empuje del
suelo sobre la fundación y sobre el relleno sobre ella. Para el cálculo se considera el empuje
pasivo con un factor de seguridad FS = 3,00. Para el relleno se considera un ángulo de roce
de 30º, una cohesión C = 0,00 ton/m2 y un peso unitario 𝛾 = 1,80 ton/m3.
- Aplicaremos empotramiento a los apoyos de la estructura para obtener las cargas

axiales sobre los apoyos.
- La carga Axial nos proporcionó un valor de 22634,74 kg o 22,63 ton por Sap, vemos
que al realizarlo manualmente anteriormente nos dio un valor de 22680 kg o 22,68
ton, por lo que nos demuestra que el valor es correcto.
Esfuerzos últimos.
- Calculamos el momento volcante con el Corte Basal obtenido anteriormente
Elevación Fundación
COMPARACIÓN POR CARGAS ADMISIBLES.
- Mediante las combinaciones de la ASD y la literatura de Diseño del libro Jiménez-

Montoya diseñamos las fundaciones mediante los datos obtenidos del modelo.
- Las Zapatas Cuadradas de 2 x 2 cumplen con el diseño a esfuerzos admisibles.

- Cumplen con el deslizamiento y Volcamiento.
Diseño a Flexión zapata
- Utilizaremos el código ACI-318-14 tabla 9.6.1.2 para la armadura mínima

Diseño a Corte para pedestales de fundaciones. (65 x 65 cm)
- Obtenemos los refuerzos en base a lo distribuido por el pedestal

- Fuerza cortante obtenida de modelo de Sap2000
Vigas de fundación o amarre
- Se proponen vigas de fundación de 25/50 cm

- Para el diseño de las vigas se consideran las siguientes propiedades:
8. PREGUNTAS.
1. En términos dinámicos, ¿cómo influye la masa de agua sobre la

estructura del estanque? Acá debe comparar esfuerzos de corte
basal, desplazamientos, frecuencias propias, periodos
fundamentales, etc.
- El esfuerzo de corte basal disminuyó considerablemente de 10,9 a 3,2 ton, lo que

nos muestra la importancia física que el líquido cumple en el análisis.
- Vemos que la masa de agua es fundamental para poder conocer las masas
impulsivas y convectivas, si consideramos la masa de agua como nula solo haremos
un análisis para la estructura metálica y la matriz de masa se anularía
Caso normal
Caso sin masa de Agua
- Si realizamos un nuevo modelo solo para la estructura metálica más el tanque nos
queda:
- Masa estructura + estanque y rigidez de estructura + rigidez de tanque.

- Para efectos de la rigidez del tanque le aumentaremos el 20 % a la rigidez total
𝐾𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 6,26 + 20 % = 7,512 ton /cm
- El desplazamiento disminuyó de 0,0799 a 0,067 cm (considerando el peso del

estaque).
7,512 − 𝜔2 0,0068 = 0
7,512
𝜔2 =
0,0068
𝑟𝑎𝑑
𝜔 = 33,23
𝑠
- Si comparamos la frecuencia y el periodo de vibración con le modelo original, vemos

que vibra en menos tiempo.
Caso Original
2. ¿Es posible modelar el estanque con agua en algún software de
diseño? De ser así, ¿cómo se debiera realizar la modelación para
contemplar la interacción fluido-estructura?
- En la práctica profesional los tanques elevados son calculados utilizando algún

software. Los programas usados con mayor frecuencia están limitados, dado que
no permiten modelar la interacción del fluido con la estructura y los que sí son
capaces de resolver este problema tienen menos difusión, son poco utilizados por
su relativo alto costo y demandan un mayor conocimiento teórico del usuario. Por lo
tanto, dicha interacción se desprecia y se supone que se obtienen resultados
confiables al colocar una masa concentrada fija a las paredes del mismo, en un nodo
ubicado en el centro de gravedad del recipiente con masa equivalente a la masa
total del líquido más la del contenedor; el recipiente normalmente se diseña por
carga hidrostática. Mediante este criterio se desprecia la altura de ola que puede
generar derrames del líquido debido al movimiento sísmico o daño en las paredes
del contenedor.
- Lo realizado en Sap2000 fue cargar la estructura añadiendo una carga viva,

reemplazando el peso del agua por unidad de área recomendado y calculado por la
NCh 2369 en el análisis sísmico y planteamiento dinámico de la primera parte del
proyecto.

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Tarea 1

Alumno: Matías Flores Vásquez

Fuente: Elaboración propia.

- El modelo de masas discretas de la parte inferior toma en consideración las variables

- La rigidez del modelo de masas discretas se distribuye con la rigidez de la estructura

- La estructura metálica cuenta con 15 elementos como armadura plana.

- Analizaremos primero la Rigidez de la estructura metálica, probando con 3 tipos de perfiles

- Comprobaremos que la rigidez y desplazamientos calculados manualmente es similar con el

- Según la cubicación el Peso de nuestra estructura metálica es de 5325,4 kg o 5,33 ton

- La matriz de rigidez nos queda presentada por lo descrito anteriormente, donde

La matriz de masa queda distribuida:

1.5. PERIÓDOS DE LA ESTRUCTURA.

- Comprobamos con Sap2000 que manualmente llegamos a valores similares.

- Se analizará según la Nch2369 para el tipo de suelo IV.

- La deformación admisible nos muestra que es de 4,81 cm y no excede la máxima que es de

El estanque ha sido diseñado y calculado basándose en lo establecido en la norma

2.1. NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO

- NCh1537Of.86 - Diseño Estructural de Edificios – Cargas Permanentes y

- AISC 2005.Specification for Structural Steel Buildings. LRFD.

- Acero A 370 240 ES para elementos metálicos.

3.1. DISEÑO Y VERIFICACIÓN DE ELEMENTOS DE ACERO DE LA

4.3 Cargas de operación: Se considerará de este tipo todas aquellas cargas

4.5 Cargas de Viento: Se diseña de acuerdo a Nch 432 of 2010

4.6 Cargas sísmicas: Los edificios se diseñarán de acuerdo a la norma Nch

5. COMBINACIONES DE CARGA (NCh 2369)

5.1 Las cargas para estructuras deben combinarse de la siguiente manera:

- AE = presión de agua con estanque a máxima capacidad

5.2 combinaciones de cargas admisibles NCh 3171:

Se han seleccionado perfiles tentativos y veremos si cumplen con las solicitaciones

- El marco de la plataforma son los perfiles HN 20x39,9 (rojo)

La fundación del estanque consiste en cuatro zapatas de hormigón armado amarradas

- Aplicaremos empotramiento a los apoyos de la estructura para obtener las cargas

- Mediante las combinaciones de la ASD y la literatura de Diseño del libro Jiménez-

- Las Zapatas Cuadradas de 2 x 2 cumplen con el diseño a esfuerzos admisibles.

- Utilizaremos el código ACI-318-14 tabla 9.6.1.2 para la armadura mínima

- Obtenemos los refuerzos en base a lo distribuido por el pedestal

- Se proponen vigas de fundación de 25/50 cm

1. En términos dinámicos, ¿cómo influye la masa de agua sobre la

- El esfuerzo de corte basal disminuyó considerablemente de 10,9 a 3,2 ton, lo que

- Masa estructura + estanque y rigidez de estructura + rigidez de tanque.

𝐾𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 6,26 + 20 % = 7,512 ton /cm

- El desplazamiento disminuyó de 0,0799 a 0,067 cm (considerando el peso del

- Si comparamos la frecuencia y el periodo de vibración con le modelo original, vemos

- En la práctica profesional los tanques elevados son calculados utilizando algún

- Lo realizado en Sap2000 fue cargar la estructura añadiendo una carga viva,

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