Diseño en Acero Nave Industrial de 29x24 en Sap2000

AUTORES Bar dales dales Vi l l anu anue eva, H er l ess Ch ávez Cor r ea, Deys D eysii Cueva Cu eva Ch Chá ávez, vez, F r an M uñ oz Sán chez, ch ez, Al A l exan ex ander  der  ASESOR ING. Julio Almagro Huamán Iturbe

DISEÑO DE ACERO Y MADERA ANÁLISIS Y DISEÑO SISMO ESTÁTICO NAVE INDUSTRIAL

INGENIERÍA CIVIL

NORMA E-030

INTRODUCCION Con la finalidad de aprovechar al máximo la capacidad de las estructuras sismo resistentes, según la Norma Peruana (E 020; E 030 - 2014). Con este trabajo aplicativo final se pretende presentar una información práctica y resumida para el diseño sísmico de una nave industrial, desde uso de tablas, fórmulas, de un software de diseño (SAP 2000 V17), hasta su aplicación. La información contenida en este trabajo, es resultado del empleo de la norma peruana E.030 para el diseño sísmico de estructuras metálicas. El nombre del tema y título de este trabajo aplicativo responde a la amplia gamma del empleo de las naves industriales en los diferentes sectores de la industria peruana y extranjera.

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NORMA E-030

INTRODUCCION Con la finalidad de aprovechar al máximo la capacidad de las estructuras sismo resistentes, según la Norma Peruana (E 020; E 030 - 2014). Con este trabajo aplicativo final se pretende presentar una información práctica y resumida para el diseño sísmico de una nave industrial, desde uso de tablas, fórmulas, de un software de diseño (SAP 2000 V17), hasta su aplicación. La información contenida en este trabajo, es resultado del empleo de la norma peruana E.030 para el diseño sísmico de estructuras metálicas. El nombre del tema y título de este trabajo aplicativo responde a la amplia gamma del empleo de las naves industriales en los diferentes sectores de la industria peruana y extranjera.

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OBJETIVOS

OBJETIVO PRINCIPAL:

Es Analizar, Modelar y Diseñar, realizando los cálculos Estructurales según la Norma E -030. OBJETIVOS SECUNDARIOS:

Es demostrar, mediante un ejemplo, las características de cómo se comporta una estructura de Techo Parabólico. La optimización de las dimensiones y características de estas estructuras. Cumplir con la Norma Peruana (E 020, E 030 - 2014).

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CONSIDERACIONES GENERALES Clasificación de los Aceros Estructurales:

Los aceros estructurales disponibles en perfiles estructurales laminados en caliente,  placas y barras pueden clasificarse como aceros con carbono, aceros de alta resistencia y  baja aleación, aceros resistentes a la corrosión, y aceros de baja aleación enfriados y templados. En Estados Unidos, la American Society for Testing and Materials (ASTM) desarrolla y mantiene los estándares de materiales relevantes para estos aceros Los aceros estructurales se agrupan generalmente según: Varias clasificaciones principales de la ASTM:     

A36. Aceros de propósitos generales. A529. Aceros estructurales de carbono. A572. Aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación. A242, A588. Aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la corrosión atmosférica. A514, A582. Placas de acero templado y enfriado.

Propiedades Mecánicas:

Las propiedades mecánicas de los aceros dependen de su composición química, de sus aleaciones, de su proceso de laminación, forma de enfriamiento, tratamiento térmico  posterior y el tipo de solicitaciones a que sean sometidos. Las siguientes propiedades, sin embargo, son comunes en todos los aceros: Peso Específico:

 / Módulo de Elasticidad (Modulo de Young):

    Módulo de Corte:

 (+ʮ)  P á g i n a 3 | 38

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DONDE: E: Modulo de Elasticidad.  ʮc: Coeficiente de Poisson. Coeficiente de Poisson: Rango Elástico:

ʮ=. Rango Inelástico:

ʮ=.

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EJEMPLO APLICATIVO

Analizar y diseñar un techo parabólico en la ciudad de Chilete, destinado para un centro comercial, cuyo análisis de suelos nos da una capacidad portante de 2.5 Kg/cm 2, a una  profundidad de cimentación a 1.5m. ESTRUCTURA LARGO ANCHO ALTURA

SIMBOLO  ƒ`c

Ec SIMBOLO ɤ

SIMBOLO  ʮc

(m) 29 24 6

DESCRIPCION Resistencia a la Compresión del Acero Módulo de Elasticidad del Acero DESCRIPCION Peso por Unidad de Volumen

UNDAD Tn/m2 42000 21x106 UNDAD kg/m3 7850

DESCRIPCION Coeficiente de Poisson del Acero Elástico

0.3

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VISTA EN PLANTA

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VISTA DE PERFIL

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PROCESO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL

Cualquier intento de clasificación o subdivisión del proceso de diseño resulta hasta cierto punto arbitrario. Sin embargo, es útil para aprender su esencia, considerar tres aspectos fundamentales:   

La Estructuración. El Análisis El Dimensionamiento .

Las vigas de celosía se suelen proyectar cuando las luces son muy grandes, o cuando se quieren hacer vigas con poco peso. Estas vigas están compuestas por perfiles laminados, y las de grandes luces, suelen tener forma rectangular.

La anchura de la viga es necesaria para que pueda resistir el pandeo por la compresión, y además los esfuerzos laterales del viento. También se colocaran cada x tramos unas cruces de San Andrés para darle mayor rigidez. Para el cálculo de los perfiles se utiliza el diagrama de CREMONA. Con este metodo se suponen todos los nudos articulados aunque en la realidad no es asi, ya que estan soldados o remachados normalmente. Esto es admisible dado que la longitud y esbeltez de los elementos, es suficiente para que puedan doblarse según pida la deformacion, al entrar en carga la viga.

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Las vigas de celosía de poco peso, suelen estar constituidas por un tubo en el par, y por redondos el resto.

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SOLUCION DEL EJEMPLO APLICATIVO

1.- POR DIMENSIONAMIENTO 1.1 SUBDIVISION DE LA ESTRUCTURA

Dividir en X: 

Por lo tanto, para definir (X)  de la viga se podrá elegir una medida a nuestro criterio.

º  =  ……..(f1) Unidad de medida: (m). Dónde:  NºP: El número de partes en que se va a dividir la estructura. L: Longitud de la estructura. X: Numero escogido según nuestro criterio.

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CALCUL AM OS L OS DATOS PARA EL EJEM PLO

  Aplicando la fórmula (f1 ) obtenemos los siguientes resultados:   Para nuestro ejemplo optamos por el valor de (X=5.8). 

Nu mero de partes de la estructura:

º  =  29 º  = 5.8 º  = 5 P á g i n a 11 | 38

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N.ºP

5

 Se ha obtenido 5 secciones en la dirección del eje en Y.

1.2 VIGAS:

Peralte de la viga:  



En este caso se tomara como la Luz, al valor de (X). Por lo tanto, para definir el peralte de la viga se podrá elegir entre cualquiera de los valores del divisor (8; 10; 12), como se especifica en la formula En construcción civil redondear los valores a múltiplos de (5), de los resultados obtenidos por la formula.

= L ; L ; L  

…... (f2)

Unidad de medida: (cm). Dónde: P: Peralte L: Luz Vig: Viga Base de la viga:

B: Base

 ≥  

…… (f3)

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Unidad de medida: (cm) NOTA:  La base nunca puede ser menor de 25cm. CALCUL AM OS L OS DATOS PARA EL EJEM PLO  Se toma la mayor distancia de luz en el eje (X   )   )   como en (Y  .

V. 101

LUZ (Cm) 580

  Aplicando las formulas (f2 y f3) obtenemos los siguientes

resultados:   Para nuestro ejemplo optamos por el valor de (X=5.8). 

Para la V.101

=[  ;  ;   ] 580 ; 580 ] =[ 580 ; 8 10 12 =  72.5;58;48.3  =  70;60;50 =    ≥   ≥30 30 ≥30 P á g i n a 13 | 38

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 Para la V.101 la base se ha tomado el mismo número. VIGAS V. 101

SECCION (cm) PERALTE BASE 30 60

1.2 COLUMNAS:

Peralte de la columna:  

En este caso se tomara como la Luz, al valor de (X). Se selecciona el mayor Peralte de la Viga (Pvig). Pcol: Peralte de la columna. Pvig: Peralte de la viga .

 =  80% − 90% 

…... (f4)

Unidad de medida: (cm) Base de la Columna:

Bcol: Base de la Columna. Bvig: Base de la Viga.

 ≥

…... (f5)

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CALCUL AM OS L OS DATOS PARA EL EJEM PLO  Se ha tomado el mayor Peralte de la Viga (Pvig):

Pvig

60 cm

  Aplicando las fórmulas (f4 y f5) obtenemos los siguientes

resultados:   Para la ( C.101 ):

=  80% − 90%   =  80%(60)− 90%(60) =  48 − 54

  Redondeando a múltiplos de 5 tenemos:

=  50 − 55  =  50  … ( .101)  ≥ 30 ≥30

  Para la base de la columna se ha tomado la misma que la

de la viga. COLUMNAS C. 101

SECCION (cm) PERALTE BASE 30 50

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1.3: DIMENSIONAMIENTO DE LA FLECHA: TECHO PARABOLICO

Por lo tanto, para definir la flecha (f) de la estructura se podrá elegir entre los valores del divisor, como se especifica en la fórmula. Para la Región Sierra:

30%   ≤ () ≤ 

…... (f6)

Unidad de medida: (m). DÒNDE: L: Luz de la estructura en (m). f: Dimensión de la flecha. P á g i n a 16 | 38

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Para la Región Costa:

25%   ≤ () ≤ 

…... (f7)

Unidad de medida: (m). DÒNDE: L: Luz de la estructura en (m). f: Dimensión de la flecha. CALCUL AM OS L OS DATOS PARA EL EJEM PLO

L

24 mts

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  Para nuestro ejemplo nos ubicamos en la Región de la Sierra.   Aplicando la fórmula (f6) obtenemos los siguientes resultados:   Para la Sierra.

30% 2  ≤() ≤ 2 30% 242  ≤() ≤ 242 . ≤ () ≤ 

VALOR MINIMO DE LA FLECHA VALOR MAXIMO DE LA FLECHA

3.6 m 12 m

  Para la dimensión de nuestra flecha (f) de los valores

obtenidos por la formula (f6), a criterio personal se ha optado por el valor de (5m):

3.6 4 5 DIMENSION DE FLECHA (m)

6 7 8 9 10 11 12

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1.4: DIMENSIONAMIENTO DEL PERALTE:

Para el Peralte del Techo Parabolico, se tomara la luz de la estructura.

Peralte del Techo Parabólico:

Por lo tanto, para definir el Peralte (P)  de la estructura se utiliza las siguientes fórmulas.

 ≥   

…... (f8)

O

 ≥   

…... (f9)

Unidad de medida: (m).

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DONDE: P: Peralte del Techo Parabólico. L: Luz de la estructura en (m). CALCUL AM OS LOS DATOS PARA EL EJEM PLO

L

24 m

  Aplicando las fórmulas (f8) y (f9) obtenemos los siguientes

resultados:   Formula (f8):

 ≥ 101  2  ≥ 101  242  ≥ .  P á g i n a 20 | 38

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  Formula (f9):

 ≥ 121  2  ≥ 121  242  ≥ 

  Para la dimensión de nuestro Peralte (P) de los valores

obtenidos por las formulas (f8) y (f9), a criterio personal  se ha optado por el valor del Peralte igual (1m).

1.5: ANGULO DE DISEÑO: P á g i n a 21 | 38

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El numero de vanos dependera del Peralte, ya que se haran los calculos, para que las diagonales esten aproximademente a 45º (son admisibles de 40 a 55º).

ANGULOS ADMISIBLES 40º a 55º CONDICION:

40º ≤ (  ) ≥ 55º DONDE: X: Valores angulares a tomar según el criterio del estructurista. Angulo a 45º:

Valores angulares para (X):

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CALCUL AM OS L OS DATOS PARA EL EJEM PLO

L x1 >)

24 m 0.89 m 46º

  Para hallar los segmentos se ha utilizado la siguiente fórmula:

º=  …….. (10) DONDE: L: Luz del pórtico de la estructura en (m). X1: Longitud del Vano del Techo Parabólico en (m).  Nº Seg: Numero de segmentos en que se va a dividir la estructura   Aplicando Fórmula (f10):

º= 1 24 º= 0.89 º  = .

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º  =    Por tanto para nuestra estructura se dividirá en 27 vanos.

  Para que la estructura tenga mayor rigidez colocamos

una Cruz de san Andrés en el centro del Techo  Parabólico.

1.6: METRADO DE CARGAS: METRADO DE CARGAS (Kg/m2) CM CV CW

CARGA MUERTA CARGA VIVA CARGA DE VIENTO

1.2 50 15

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3.- CALCULO DEL PERIODO FUNDAMENTAL O PERIODO DE VIBRACION DE LA ESTRUCTURA (T): Nota: RNE E-030-2014 pag.22.

El período fundamental de vibración para cada dirección se estimará, con la siguiente expresión:

 = 

…... (f11)

 DONDE: Ct: Factor que depende del sistema estructural. hn: Altura del edificio desde el nivel 0+00. T: Periodo Fundamental de Vibración de la Estructura.

Ct=35

Pórticos de concreto armado sin muros de corte. Pórticos dúctiles de acero con uniones resistentes a momentos, sin arrostramiento.

Ct=45

Pórticos de concreto armado con muros en las cajas de ascensores y escaleras. Pórticos de acero arriostrados.

Ct=60

Para edificios de albañilería y para todos los edificios de concreto armado duales, de muros estructurales, y muros de ductibilidad limitada.

CALCUL AM OS L OS DATOS PARA EL EJEM PLO

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 Se ha tomado el factor estructural Ct=45 (ARRIOSTRADO).

Ct

Hn CT

45

12 45

  Aplicando la formula (f11) obtenemos los siguientes resultados:

 = ℎ  = 12 45 =0.26 (seg) T

0.26 Seg

4.- CALCULO DE VIBRACION DEL TERRENO (Tp): Nota: RNE E-030-2014 pag.12. CALCUL AM OS L OS DATOS PARA EL EJEM PLO   La capacidad portante del suelo es 2.5 Kg/cm 2. Por lo tanto

estaríamos hablando de un suelo intermedio.

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TABLA 4.2.1

S

TIPO DE SUELO

S0 S1 S2 S3

ROCA DURA SUELO RIGIDO SUELO INTERMEDIO SUELO FLEXIBE

CAPACIDAD PORTANTE qa(Kg/cm2) >6 ≤6

1.2  – 3 ≤1.2

 2.5qa está entre los intervalos de (1.2  –  3).

S2

SUELO INTERMEDIO

  Por tanto el Perfil de suelo es

(S   ). 2   ) según la tabla 4.4.2.   Luego obtenemos el (T   P    Los periodos T   P  y T   L se obtienen de la Tabla N° 4.2.2 y solo dependen del tipo de perfil de suelo (S). TABLA 4.2.2 PERIODO (TP) y (TL) PERFIL DE SUELO S0 S1 S2 0.3 0.4 0.6

TP (S)

(TP)

S3 1.0

0.6 (seg)

5.- CALCULO DE SEDENCIA (TL): Nota: RNE E-030-2014 pag.12.

CALCUL AM OS L OS DATOS PARA EL EJEM PLO  2.5qa está entre los intervalos de (1.2  –  3).  Verificar en la tabla

S2

4.2.1 

SUELO INTERMEDIO S2

1.2  – 3

SUELO INTERMEDIO

  Entonces el Perfil de suelo es

(S   ). 2    Luego obtenemos el (T   L ) según la tabla 4.4.2. TABLA 4.2.2

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TL (S)

PERIODO (TP) y (TL) PERFIL DE SUELO S0 S1 S2 3.0 2.5 2.0

(TL)

S3 1.6

2.0 (seg)

6.- CALCULO DEL COHEFICIENTE DE AMPLIFICACION SISMICA (C): Nota: RNE E-030-2014 pag.12.

De acuerdo a las características de sitio, se define el factor de amplificación sísmica (C)  por las siguientes expresiones:

T: Periodo fundamental de la estructura. T  P : Periodo de vibración del terreno. T  L: Sedencia del terreno.

Como se tiene el mismo periodo fundamental (T), entonces Cx es igual a Cy. Este coeficiente se interpreta como el factor de amplificación de la respuesta estructural respecto de la aceleración en el suelo. CALCUL AM OS L OS DATOS PARA EL EJEM PLO   Analizamos el factor de amplificación sísmica (C),con los datos

obtenidos anteriormente como son:

T

0.26 (seg)

(TP)

0.6 (seg)

(TL)

2.0 (seg)

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  Por ende aplicando la primera condición si cumple.

 <  0.26