Diseño de estructura de acero estructural para un hotel de 4 pisos en Papua Nueva Guinea

 

Ubicación: Papúa Nueva Guinea

Zona Sísmica: Intensidad sísmica de8 grados(equivalente a PGA ≈ 0,3 g según ASCE 7 o códigos locales similares)

Carga de viento: Velocidad básica del viento =120 kilómetros por hora (~33.3 m/s)

Carga de nieve: Ninguno

Uso del edificio:

Nivel 1: Aparcamiento (altura=3.8 m)

Niveles 2 a 4: Habitaciones de hotel (altura de piso-a-piso=3.7 m, 3,7 m y 3,4 m respectivamente)

Tipo de techo: Techo de una sola pendiente-(pendiente supuesta=2% para drenaje)

Paredes exteriores: Bloques de hormigón huecos no-estructurales (construidos localmente;no cargar-soporte)

Sistema de piso: Plataforma de acero compuesto con cubierta de concreto-in-moldeado in situ(por especificar)

 

 

Longitud total del edificio: 80 m

Configuración del plan:

Ala este: 55.6 m (L) × 27 m (W)

Ala oeste: 25 m (L) × 41.7 m (W)

Nota: El plan esno-rectangular, probablemente en forma de L-o escalonada. Para el análisis estructural, el edificio se trata como dos bloques conectados con posible junta de expansión o conexión rígida dependiendo de los detalles sísmicos.

Tamaños típicos de bahía: Supongamos que el espaciado entre columnas es de7,5 m longitudinalmentey6,0 m transversalmente(ajustable por entrada arquitectónica).

 

 

Código primario: AISC 360-16 (Especificación para edificios de acero estructural)

Diseño sísmico: ASCE 7-16 (o equivalente – adaptado para la sismicidad de PNG)

Carga de viento: ASCE 7-16, Capítulo 27 (Procedimiento direccional)

Estándares de materiales: ASTM A992 (vigas/columnas), ASTM A36 (placas, miembros secundarios)

 

 

 

Componente	Carga (kN/m²)
Plataforma de acero + 125 mm Losa de hormigón (ρ=24 kN/m³)	0.25 + (0.125×24) = 3.25
Techo, MEP, Acabados	0.5
Techo (cubierta metálica + aislamiento)	0.3
Muro de bloques huecos (no-estructural, pero aplicado como carga lineal sobre vigas)	~3,0 kN/m(por metro de altura)

 

 

Nivel	LL (kN/m²)	Referencia
Nivel 1 (Estacionamiento)	2.5	ASCE 7
Niveles 2 a 4 (hotel)	1.9	ASCE 7 (residencial)
Techo	0.5	Carga de mantenimiento

 

 

Velocidad básica del viento:V = 33.3 m/s

Categoría de exposición:C(asumiendo terreno suburbano/urbano)

Factor de ráfaga:G = 0.85

Coeficiente de presión (Cp):

Muro (barlovento):+0.8

Muro (sotavento):–0.5

Techo (pendiente única-):–0,9 a –0,3(según zona)

Usando la ecuación ASCE 7. 27.3-1:
[ q_z=0.613 K_z K_{zt} K_d V^2 I ]
Suponiendo (K_z=0.85) a media-altura (~7 m), (I=1.0), (K_{zt}=1.0), (K_d=0.85):
[ q_z ≈ 0.613 × 0.85 × 1.0 × 0.85 × (33.3)^2 × 1.0 ≈ 0,613 × 0,7225 × 1109 ≈ 490 Pa ≈ 0,49 kN/m² ]

Presión del viento de diseño:
[ p = q_z G C_p ≈ 0.49 × 0.85 × C_p ]
→ Presión máxima de la pared ≈0,33 kN/m²(barlovento), succión ≈–0,21 kN/m²(sotavento)

Nota: Debido a la baja altura (<15 m), wind governs lateral stability but seismic may control due to high seismicity.

 

 

Respuesta espectral: Para zona de 8 grados, supongaS_DS=1.0, S_D1 = 0.6(estimación conservadora según adaptación local de ASCE 7)

Categoría de riesgo:II

Factor R-(marco de momento de acero): R = 8(para marco de momento especial – SMF)

Factor de importancia: (I_e = 1.0)

Período fundamental aproximado:
[ T_a = C_t h_n^x = 0.028 × (14.6)^{0.8} ≈ 0.028 × 8.5 ≈ 0.24 s ]
(Altura total (h_n=3.8 + 3×3,7 – 0.3=14.6) m aprox.)

Corte de base sísmica:
[ V=\\frac{S_{DS}}{R/I_e} W=\\frac{1.0}{8} W=0.125 W ]
→ 12,5% del peso total- significativo.

 

 

Área del piso ≈ (55,6×27) + (25×41,7) ≈ 1501 + 1043 =2544 m²

3 pisos ocupados + azotea ≈ 4 niveles

Promedio DL + LL por piso ≈ (3.75 + 1.9) ≈5,65 kN/m²

Peso total (W ≈ 2544 × 5,65 × 4 ≈57.500kN

Corte base (V ≈ 0,125 × 57.500 ≈7.200kN

→ La sísmica gobierna sobre el vientopara diseño lateral.

 

 

Sistema de resistencia a fuerzas laterales (LFRS):

Pórticos especiales arriostrados concéntricamente (SCBF)oMarcos de momentos especiales (SMF)

Dada la flexibilidad arquitectónica y la necesidad de estacionamiento abierto,SCBFpreferido por su eficiencia y ductilidad en zonas altamente sísmicas-.

Sistema de gravedad:

Vigas compuestas(W-formas con montantes de corte + plataforma metálica + losa de hormigón)

columnas: Secciones HSS o W-continuas desde los cimientos hasta el techo

Vigorizante: X-arriostramiento en ambas direcciones en los núcleos de escaleras/ascensores y en el perímetro cuando sea posible

Techo: Pendiente única-sostenida por vigas de techo inclinadas o marcos cónicos; correas en la parte superior.

 

 

6.1 Vigas del piso (interior típico)

Luz: 7,5 m

Carga: (w=(3.25 + 1.9) × 6.0=30.9 kN/m)

Momento máximo: (M=wL^2/8=30.9 × 7,5^2 / 8 ≈ 217 kN·m)

Módulo de sección requerido: (Z_x Mayor o igual a M / (0,9 F_y)=217×10⁶ / (0,9×345) ≈ 700×10³ mm³)

Sección de prueba: W410×60(Zₓ=773×10³ mm³, correcto)

6.2 Vigas de borde (con carga de pared)

Carga de pared adicional: 3,0 kN/m × 3,7 m =11,1 kN/m

Total w ≈ 30.9 + 11.1 =42,0 kN/m

M ≈ 295 kN·m →W460×74(Zₓ=942×10³ mm³)

6.3 Columnas (Interior, 4 pisos)

Área afluente: 7,5 m × 6,0 m=45 m²

Carga axial por piso: (3.25 + 1.9) × 45=232 kN

Total P ≈ 4 × 232 =928kN

Añadir 20% para efectos sísmicos axiales →P_u ≈ 1.115 kN

Longitud efectiva (KL ≈ 0,8 × 3700=2,960 mm)

Ensayo:W250×73(A=9,290 mm², r=119 mm → KL/r ≈ 25 → φPₙ ≈ 0,9×345×9290 ≈2.880kN >>1.115 kN → OK)

Utilice W250×67 o HSS203×203×9,5 para ahorrar

6.4 Miembros de arriostramiento (SCBF)

Supongamos arriostramiento en 2 bahías por dirección

Corte sísmico de piso por bahía ≈ 7200 / (número de marcos arriostrados)

Supongamos 4 marcos arriostrados en cada dirección → ~900 kN por marco

Fuerza diagonal: (F=V / sinθ); θ=45 grado → F ≈ 900 / 0,707 ≈1.270kN

Requerido A_g Mayor o igual a 1.270.000 / (0,9×345) ≈4.090 mm²

Ensayo: HSS152×152×9,5(A=5,200 mm², OK para tensión/compresión con control de esbeltez)

 

 

Cubierta metálica: Conform® 2.0 o Bondek®(profundidad del perfil=60 mm)

Losa de hormigón: 125 mm de espesor, f'c=25 MPa

Pernos de corte: 19 mm de diámetro × 100 mm de altura, espaciado en300 mm al centroa lo largo de vigas

Acción compuesta: Interacción completa asumida según AISC 360 Capítulo I

 

 

Informe de suelo requerido– asumir una capacidad de carga moderada (150 kPa)

Reacciones de columna: Máx. ~1200 kN → tamaño de zapata ≈ √(1200 / 150) ≈2.8 m × 2.8 mpie aislado

Anclaje sísmico: Varillas de anclaje diseñadas para levantamiento y corte según ACI 318

 

 

Transmitir-a-columna: Placas terminales atornilladas o conexiones de momento soldadas (si se utiliza SMF)

Arriostramiento-a-escudete: Método de sección Whitmore según AISC Seismic Provisions

Soporte de cubierta: Apoyo simple en el ala superior de la viga

 

 

Artículo	Especificación
LFRS	Pórticos especiales arriostrados concéntricamente (SCBF)
Haces de gravedad	A410×60 (interior), A460×74 (borde)
columnas	A250×67 o HSS203×203×9,5
Tirantes	HSS152×152×9,5
Cubierta de piso	Plataforma metálica compuesta de 60 mm de profundidad + 125 mm de hormigón
Corte de base sísmica	~7200 kN (gobierna el diseño)
Presión del viento	~0,33 kN/m² (no-gobernante)
Pendiente del techo	Pendiente simple del 2%, sostenida por vigas inclinadas

 

 

Contratar a un ingeniero geotécnico local para el informe del suelo.

Coordine con el arquitecto para ubicar marcos apuntalados sin obstruir el estacionamiento o las habitaciones.

Utilice un sistema de pintura-resistente a la corrosión (entorno C4 según ISO 12944 – PNG costero).

Proporcione juntas de movimiento si las alas este/oeste están significativamente desplazadas.

Realice análisis estructurales 3D detallados utilizando software (por ejemplo, ETABS, SAP2000), incluidos los efectos P-Δ.

 

 

 

Esta estimación de tonelaje de acero cubre los elementos estructurales de acero primarios y secundarios necesarios para los sistemas de resistencia a la gravedad y a las cargas laterales-del hotel de 4 pisos, que incluyen:

Columnas (desde los cimientos hasta el techo)

Vigas de suelo y techo (diseño compuesto)

Miembros de arriostramiento (Pórticos especiales arriostrados concéntricamente – SCBF)

Armazón de techo (vigas y correas inclinadas)

Conexiones (estimadas como 5% del peso del miembro principal)

Excluido:

Plataforma de metal (se considera soporte de losa/revestimiento no-estructural)

Varillas de anclaje, placas base (incluidas en el margen de conexión)

Escaleras, barandillas, acero varios.

 

 

El plan de construcción consta de dos bloques conectados:

Bloque Este: 55.6 m × 27 m

Bloque Oeste: 25 m × 41.7 m
→ Huella total ≈2,544 m²

Cuadrícula de columnas típica:7,5 m (longitudinal) × 6,0 m (transversal)

Número de columnas:

Bloque este: (55,6/7,5 ≈ 8 bahías → 9 líneas) × (27/6 ≈ 4,5 → 5 líneas) =45 columnas

Bloque oeste: (25/7,5 ≈ 3,3 → 4 líneas) × (41,7/6 ≈ 7 → 8 líneas) =32 columnas

Deducir la superposición en el cruce (~5 columnas compartidas) →Total de columnas ≈ 72

Pisos: 4 niveles (incluido techo)

Pórticos arriostrados: 2 por dirección por bloque →8 bahías reforzadas en total

Pendiente del tejado: 2%, sostenido por vigas inclinadas; sin cerchas

 

 

Dada la naturaleza del proyecto como vivienda pública residencial, se decidió reforzar todo el sistema estructural para crear un edificio robusto con una vida útil superior a los 100 años. Para lograr esto, reemplazamos las columnas convencionales con columnas de acero de sección en caja-y las rellenamos en el sitio-con concreto, lo que mejoró significativamente la resistencia estructural general.

 

 

Sección:Tipo caja 400X400x12x12mm(masa=146.2 kg/m)

Alto por columna:

Nivel 1: 3,8 m

Niveles 2 y 3: 3,7 m cada uno

Nivel 4: 3,4 m
→ Altura total =14.6 m

Longitud total de la columna=72 × 14.6 =1,051 m

Peso de la columna=1,051 m × 146,2 kg/m =153.656 kg ≈ 153,7 toneladas

Nota: Las columnas de la planta baja pueden ser más pesadas; este es un promedio.

 

 

Vigas interiores: WH500X290X10X16mm (masa=109.6 kg/m)

Luz: 7,5 m

Número por piso:

Bloque este: 5 líneas transversales × 8 tramos longitudinales=40

Bloque oeste: 8 líneas transversales × 3 tramos longitudinales=24
→ 64 vigas interiores por piso

Total para 3 pisos + estructura del techo=4 × 64 =256 vigas

Longitud=256 × 7.5 =1,920 m

Peso=1,920 × 109.6=210.432 kilogramos

Vigas de borde/perímetro: WH600X200X12X12mm (masa=92 kg/m)

Longitud del perímetro por piso ≈ 2×(55.6+27) + 2×(25+41.7) – superposición ≈290 m/piso

Supongamos vigas de borde cada 6 m → ~48 vigas de borde por piso

Total=4 × 48 =192 vigas, promedio lapso=6.0 m

Longitud=192 × 6 =1,152 m

Peso=1,152 × 92=105.984 kilos

Peso total de la viga = 210,432 + 105,984 = 316.416 kg ≈ 316,4 toneladas

 

 

Sección:HSS152×152×9,5(masa=42.5 kg/m)

Bahías arriostradas: 8 en total (4 en E-W, 4 en N-S)

Cada bahía tiene 2 diagonales por piso → 4 pisos × 2 =8 diagonales por línea de marco arriostrada

Diagonales totales=8 fotogramas × 8 =64 tirantes

Promedio longitud diagonal (para bahía de 7,5 m × 3,7 m a 45 grados):
( L=\\sqrt{7,5^2 + 3.7^2} ≈ 8,4 m )

Longitud total de la llave=64 × 8.4 =538 m

Peso de la abrazadera=538 × 42.5 =22,865 kg ≈ 22,9 toneladas

 

 

Las vigas del techo principal siguen un perfil de pendiente única-; usarW310×45(45kg/m)

Espaciado: 3,0 m oc (para soportar correas)

Área total del techo=2,544 m² → longitud de viga ≈ ancho del edificio (máx. 41,7 m)

Número de vigas ≈ 80 m / 3,0 ≈27 lineas

Promedio longitud de la viga=35 m (promedio ponderado de anchos este/oeste)

Longitud total de la viga=27 × 35 =945 m

Peso de la viga=945 × 45 =42.525 kilogramos

correas: C200×20×2,5 (5,5 kg/m), espaciados 1,5 m al centro

Longitud total de la correa ≈ (2544 m² / 1,5 m de separación) × 1,0 m =1,696 m

Peso=1,696 × 5.5 =9.328 kilogramos

Acero total del techo = 42,525 + 9,328 = 51.853 kg ≈ 51,9 toneladas

 

 

Práctica estándar:5%del peso total del miembro principal

Total de miembros principales=153.7 + 316.4 + 22.9 + 51.9 =533,9 toneladas

Conexiones=0.05 × 533,900 =27.245 kg ≈ 27,3 toneladas

 

 

Componente	Peso (toneladas)
columnas	153.7
Vigas de piso y borde	316.4
Refuerzo (SCBF)	22.9
Estructura del techo (vigas + correas)	51.9
Conexiones (5%)	27.3
Total estimado de acero estructural	572,2 toneladas

 

 

Superficie total =2,544 m²

Acero por unidad de superficie=572.2 t / 2.544 m² =225 kilos/m²

Esto es razonable para un edificio de acero resistente a los sismos-de 4-pisos-con marcos reforzados en una región altamente sísmica.

 

 

Potencial de optimización: El uso de bahías más grandes o refuerzos reducidos podría reducir el tonelaje, pero las demandas sísmicas en PNG limitan las reducciones.

Fabricación local: considere la disponibilidad de secciones estándar en PNG o Australia (se suponen secciones comunes como formas W-y HSS).

Protección contra la corrosión: Todo el acero recibirá-galvanización por inmersión en caliente o sistema de pintura dúplex debido al ambiente costero tropical.

Contingencia: Agregar5–10%para desarrollo de diseño, cambios arquitectónicos o detalles de ineficiencias →Estimación del presupuesto final: ~615–700 toneladas. Si agrega algunas escaleras y estructura para ascensores, en general será alrededor650~750 toneladasen definitiva.

Preparado por: Hangzhou Xixi Building Co., LTD.
Fecha: 16 de enero de 2026
Base: AISC 360-16, diseño preliminar, supuestos sísmicos ASCE 7-16