Diseño de Vigas de Un Portico de Acero, Sap2000

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INTRODUCCION

El presente trabajo describe el diseño de las vigas de acero en un pórtico por arriostres. Se utilizara Acero A-50, grado 50. La modelación numérica de la estructura metálica la realicé con el programa SAP2000 “v14”, siguiendo los lineamientos de la Specification for Structural Steel Buildings de 2010(Especificación para edificios de acero estructural de 2010) del American Institute of Steel Construction (AISC) y conforme a la 14ª. Edición del AISC Steel Construction Manual (Manual de construction en acero del AISC) que se publicó en 2011. Esperando sea este trabajo una buena guía.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA OBJETIVOS

Adquirir las primeras herramientas que le permitirán luego afianzarse en el ejercicio de la profesión. De esta manera poder contrastar lo aprendido en la facultad con la realidad del día a día. En este caso en particular, se ha optado por la realización de la misma, orientada hacia la rama de las estructuras, con el fin de lograr profundizar y afianzar dichos conceptos. Se podrían citar los siguientes objetivos personales y profesionales: . 

Utilización y familiarización de los reglamentos vigentes.



Interiorización en el cálculo, dimensionado de columnas y vigas metálicas.



Vincular los conocimientos teóricos adquiridos en CLASE con las condiciones y hechos que se dan en la realidad de la vida cotidiana.

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DISEÑO DE VIGAS DE UN PORTICO DE ACERO I.

DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA  La estructura estará conformada por: 

Vigas principales (TRABES) y perimetrales (ACERO A-50, GRADO 50).



Vigas Secundarias (ACERO A-50, GRADO 50).



Columnas (ACERO A-50, GRADO 50).

 Se usara Dry Wall para la distribución de ambientes y la protección contra el fuego.  Debido que Piura se encuentra en una zona sísmica se considerará arriostre diagonales en la estructura para el Análisis Estructural.  El sistema de entrepiso (apoyado en vigas secundarias) estará conformado por una losa de concreto macizo con una sobrecarga de 80 lbs. / pie2.

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II.

PREDIMENSIONAMIENTO DE VIGAS Y COLUMNAS DE ACERO

Teniendo en cuanta la distribución de fuerzas en cada tramo y piso de la estructura, pre dimensiónanos las vigas y las columnas:  Para las vigas 1 – 2 – 3 – 4 – 5- 6 H = L/10 =360in/10 H= 36 in  Para las vigas A – B - C H = L/10 =504 in/10 H= 50.4 in  Para las columnas H = H/10 = 156 in/10 H= 15.6 in Entonces asumimos:  Para las vigas del eje 1, 2, 3, 4, 5 y 6 un perfil W27X178.  Para la viga del eje A, B y C un perfil w21x132.  Para las columnas un perfil ángulo doble 2L5x5x3/4. III.

METRADO DE CARGAS

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VIGA EJE 1 – VIGA EJE 6



Ancho tributario = 180 pulg.

ELEMENTO Losa maciza: Piso terminado: Tabiquería: miscelanea: Total CM

ELEMENTO Sobrecarga: Total CV

CARGAS MUERTAS larg alt Lbs/pulg2 o ancho o total Lbs/pulg2 0.039 180 4 28.32 0.139 180 25.00 0.174 180 31.25 0.056 180 10.00 94.57 CARGAS VIVAS larg alt Lbs/pulg2 o ancho o total Lbs/pulg2 0.139 180 25 25

VIGA EJE 2 – VIGA EJE 3 - VIGA EJE 4 - VIGA EJE 5



Ancho tributario = 360 pulg.

ELEMENTO Losa maciza: Piso terminado: Tabiquería: miscelanea: Total CM

ELEMENTO Sobrecarga: Total CV

CARGAS MUERTAS larg alt Lbs/pulg2 o ancho o total Lbs/pulg2 0.039 360 4 56.63 0.139 360 50.00 0.174 360 62.50 0.056 360 20.00 189.13 CARGAS VIVAS larg alt Lbs/pulg2 o ancho o total Lbs/pulg2 0.139 360 50 50

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VIGA EJE A – VIGA EJE C



Ancho tributario = 16 pulg.

ELEMENTO Losa maciza: Piso terminado: Tabiquería: miscelanea: Total CM

ELEMENTO Sobrecarga: Total CV

CARGAS MUERTAS larg alt Lbs/pulg2 o ancho o total Lbs/pulg2 0.039 16 4 2.52 0.139 16 2.22 0.174 16 2.78 0.056 16 0.89 8.41 CARGAS VIVAS larg alt Lbs/pulg2 o ancho o total Lbs/pulg2 0.139 16 2.22 2.22

VIGA EJE B 

Ancho tributario = 32 pulg.

ELEMENTO Losa maciza: Piso terminado: Tabiquería: miscelanea: Total CM

ELEMENTO Sobrecarga: Total CV

CARGAS MUERTAS larg alt Lbs/pulg2 o ancho o total Lbs/pulg2 0.039 32 4 5.03 0.139 32 4.44 0.174 32 5.56 0.056 32 1.78 16.81 CARGAS VIVAS larg alt Lbs/pulg2 o ancho o total Lbs/pulg2 0.139 16 2.22 2.22

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IV.

ANALISIS ESTRUCTURAL

Para modelar la estructura, se empleo el programa de análisis estructural SAP 2000 – V14 y se modelo la geometría de la estructura y las cargas actuantes. Las características de los materiales consideradas en el análisis y diseño estructural fueron: Concreto: f'c=210 kg/cm2 Acero: fy=4200 kg/cm2 MODELAMIENTO ESTRUCTURAL CON SAP 2000 1. Definimos unidades: Kip, ft, f. 2. Definimos el modelo y editamos la malla de trabajo

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA 3. Definimos materiales y secciones

4. Luego hacemos en Import New Property esta opción nos permite elegir con qué tipo de perfil queremos trabajar en muestro caso ángulos dobles luego nos llevara a la librería del Sap2000 y trabajaremos con AISC.PRO.

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5. Seleccionamos el tipo de perfil

Para el diseño de las vigas usamos un perfil w.

6. Una vez hecho esto buscamos nuestros perfiles a usar.

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Buscamos el perfil que hemos asumido

7. Asignamos estados de cargas

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA 8. Usaremos una losa tipo membrana con la finalidad de aplicarle la carga para distribuirla, teniendo en cuenta que para que el programa no metre esta membrana hay que considerar su peso 0

9. Seleccionamos Membrane y luego le damos en el botón + para crear otro material con las propiedades que necesitamos.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA 10. Cambiamos la parte weight por unit volumen a 0 y luego hacemos click en modify/show Notes y ok

11. Cambiamos por los valores que se ven y damos ok y habremos creado nuestra membrana, por último asignamos nuestra membrana en la parte superior de la estructura. 12. Combinación de cargas.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA Combinación carga última según AISC-LRFD. Máxima posibilidad de carga en la vida útil de 50 años. A4.1) 1,4D… Zapata Baglietto. Combo1 A4.2) 1,2D + 1,6L + 0.5(S o Lr o R)… Zapata Baglietto. Combo 2

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA 13. Luego corremos el programa Diagrama de momento flector de carga muerta:

Diagrama de momento flector de carga viva

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA Diagrama de momento flector del Combo 1

Diagrama de momento flector del Combo2

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Diagrama de momentos flectores de la envolvente

V.

DISEÑO DE VIGAS

Análisis Estructural, para la Viga Principal del eje 3: De los diagramas de fuerza cortante y momento flector tomamos los valores máximos de cada uno, por consiguiente se tiene que:

V m á x =202.03 klb. y M m á x =1694.88 klb . ft . SELECCIÓN DEL PERFIL 

CALCULO DEL MOMENTO PLASTICO: Z X=

Mu max 0.9 Fy 12∈. 1 ft . 2 0.90 x 50 klb/ ¿ .

1694.88 klb . ft . x Z x=

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ZX

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Z x =451.97 ¿ .

Entro a la tabla y elijo el perfil:

W33X130



Lr Lp ØMr ØMp Zx bf tf lb ØVnx tw BF

= 24.30 ft = 8.44 ft = 1070 kips.ft = 1750 kips.ft = 467 in = 11.50 in = 0.855 in = 42 ft = 576 kip = 0.58 in = 43.30 kips

VERIFICACION SI EL PERFIL ES COMPACTO

Patin

h f 65 ≤ 2 t f √ fy

Cumple. El perfil es compacto Notamos que se comprueba la siguiente relación: → Lb > Lr . 42>24.30 .

Entonces de acuerdo a la gráfica de momento nominal en función de la longitud no soportada

L (¿¿ b) ¿

se tendrá un Pandeo lateral – torsional elástico, que

corresponde a la zona 3.

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Análisis Estructural, para la Viga del eje B: De los diagramas de fuerza cortante y momento flector tomamos los valores máximos de cada uno, por consiguiente se tiene que:

V m á x =.77 klb . y M m á x =1344.88 klb. ft .

SELECCIÓN DEL PERFIL 

CALCULO DEL MOMENTO PLASTICO:

Z X=

ZX

Mu max 0.9 Fy

12∈. 1 ft . 2 0.90 x 50 klb/ ¿ .

1344.88 klb . ft . x Z x=

3

Z x =358.63 ¿ .

Entro a la tabla y elijo el perfil:

W30x116

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Lr Lp ØMr ØMp Zx bf tf lb ØVnx tw Página 20

= 22.60 ft = 7.74 ft = 864 kips.ft = 1420 kips.ft = 378 in3 = 11.50 in = 0.855 in = 30 ft = 509 kip = 0.580 in

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA BF



= 37.20 kips

VERIFICACION SI EL PERFIL ES COMPACTO Patin

h f 65 ≤ 2 t f √ fy

Cumple. El perfil es compacto Notamos que se comprueba la siguiente relación: → Lb > Lr . 42>24.30 . Entonces de acuerdo a la gráfica de momento nominal en función de la longitud no soportada

L (¿¿ b) ¿

se tendrá un Pandeo lateral – torsional elástico, que

corresponde a la zona 3.

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