Ingeniería sismorresistente · Nivel avanzado
Análisis modal espectral de un nivel: cortante basal, volteo y deriva
Enunciado
Edificación aporticada de concreto armado de 1 nivel (f'c = 210 kg/cm²), con altura de piso h = 3,20 m. Tiene 9 columnas de 0,35 × 0,35 m, vigas de 0,25 × 0,50 m en ambas direcciones y losa aligerada de t = 0,20 m (300 kg/m²). Ejes: 6,00 + 6,00 m en X y 4,40 + 4,40 m en Y (planta total de 12,35 × 9,15 m). Piso terminado 100 kg/m² y sobrecarga 100 kg/m² (considera el 25 % en el peso sísmico).
La edificación está en Iquitos (Z = 0,10), sobre suelo S3 (S = 2,0; TP = 1,0 s; TL = 1,6 s), es de uso vivienda (U = 1) y su sistema es aporticado regular (R = 8). Realiza el análisis modal espectral en la dirección S-X y calcula: a) el periodo de vibración de la estructura; b) la fuerza inercial y el cortante basal dinámico; c) el momento de volteo; d) la verificación de la deriva (distorsión) de entrepiso.
Paso 1. Datos y geometría
E = 15 000 · √210 = 217 370,65 kg/cm² = 2 173 706,5 ton/m²
La longitud libre de cada viga es la distancia entre ejes menos la dimensión de la columna:
- Vigas en X (V1): 6,00 − 0,35 = 5,65 m (3 ejes × 2 tramos = 6 vigas).
- Vigas en Y (V3): 4,40 − 0,35 = 4,05 m (3 ejes × 2 tramos = 6 vigas).
- Columnas: 9.
Paso 2. Metrado de cargas y masa
| Elemento | Cálculo (n × L × b × h × γ) | Peso (ton) |
|---|---|---|
| Vigas en X (V1) | 6 × 5,65 × 0,25 × 0,50 × 2,4 | 10,170 |
| Vigas en Y (V3) | 6 × 4,05 × 0,25 × 0,50 × 2,4 | 7,290 |
| Columnas 0,35 × 0,35 | 9 × (3,20/2) × 0,35 × 0,35 × 2,4 | 4,234 |
| Losa aligerada | (12,35 × 9,15 − 14,550 − 1,102) × 0,300 | 29,205 |
| Piso terminado | (12,35 × 9,15 − 1,102) × 0,100 | 11,190 |
| Carga muerta PD | 62,089 | |
| Carga viva (s/c) | 12,35 × 9,15 × 0,100 | 11,300 |
| P = PD + 25 % PL = 62,089 + 0,25 × 11,300 | 64,914 | |
m = P / g = 64,914 / 9,81 = 6,6171 ton·s²/m
Control: P / área = 0,574 ton/m². En la losa se descuentan el área en planta de las vigas (14,550 m²) y de las columnas (1,102 m²).
Paso 3. Rigidez lateral y periodo en X
En X trabajan 3 pórticos (ejes 1, 2 y 3), cada uno con 3 columnas y 2 vanos. La altura se mide al eje de la viga: h = 3,20 − 0,50/2 = 2,95 m, con L = 6,00 m.
Ic = 0,35⁴ / 12 = 0,001251 m⁴ · Iv = 0,25 × 0,50³ / 12 = 0,002604 m⁴
γ = (0,002604/6,00) / (0,001251/2,95) = 1,0239
k = 18 E Ic / h³ · (6γ² + 9γ + 1)/(3γ² + 6γ + 2) = 2786,66 ton/m por pórtico
KX = 3k = 8359,97 ton/m
ωn = √(8359,97 / 6,6171) = 35,544 rad/s → T = 2π / ωn = 0,1768 s
Paso 4. Espectro y cortante basal dinámico
Como T = 0,177 s < TP = 1,0 s, el factor de amplificación es C = 2,5:
Sa = Z·U·C·S/R · g = (0,10 × 1 × 2,5 × 2,0 / 8) × 9,81 = 0,0625 × 9,81 = 0,6131 m/s²
Con un solo modo (un nivel), la fuerza inercial es igual al cortante basal dinámico:
V = m · Sa = 6,6171 × 0,6131 = 4,057 ton
Cortante mínimo: Vest = (ZUCS/R) · P = 0,0625 × 64,91 = 4,057 ton. Para estructura regular, Vmín = 0,80 · Vest = 3,246 ton ≤ Vdin, así que no hace falta escalar.
Paso 5. Momento de volteo
Mvolteo = V · h = 4,057 × 2,95 = 11,968 ton·m
Se toma h = 2,95 m (altura al eje de la viga), la misma altura del modelo de rigidez.
Paso 6. Verificación de la deriva
Δel = Sd = Sa / ωn² = 0,6131 / 35,544² = 0,485 mm
Δinel = 0,75 · R · Δel = 0,75 × 8 × 0,485 = 2,912 mm
Deriva = Δinel / h = 0,002912 / 2,95 = 0,00099 < 0,007 → cumple (concreto armado)
Resultado
- Masa: m = 6,617 ton·s²/m; rigidez KX = 8359,97 ton/m
- Periodo: T = 0,177 s
- Cortante basal dinámico: V = 4,06 ton
- Momento de volteo: M = 11,97 ton·m
- Deriva: 0,0010 < 0,007 (cumple)
Errores comunes
- Verificar la deriva con el desplazamiento elástico: la E.030 pide multiplicarlo por 0,75·R en estructuras regulares.
- Usar la fórmula del pórtico de 1 vano: en X cada pórtico tiene 3 columnas y 2 vanos, por lo que corresponde la expresión con el factor 18.
- Calcular C = 2,5·TP/T para un periodo corto: si T < TP, C vale 2,5.
Bibliografía de consulta
- Chopra, A. K. Dinámica de estructuras. Pearson.
- Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento. Reglamento Nacional de Edificaciones, Norma E.030 Diseño Sismorresistente.