ANÁLISIS ESTRUCTURAL APLICADO NAVES INDUSTRIALES
Modelo numérico de una planta industrial
Noviembre de 2008
Curso de Análisis Estructural Aplicado
Modelo numérico de una nave industrial
Índice 1. Objetivos y Alcance.....................................................................................................................1 2. Memoria descriptiva de la estructura...........................................................................................1 3. Geometría de la estructura ...........................................................................................................1 4. Bases de Diseño ...........................................................................................................................4 4.1. Estados de carga ................................................................................................................... 4 4.1.1. Cargas permanentes: ......................................................................................................4 4.1.2. Sobrecarga útil:..............................................................................................................4 4.1.3. Acciones de Viento:.......................................................................................................5 4.2. Combinaciones de Carga ...................................................................................................... 6 5. Análisis y Evaluación Estructural ................................................................................................7 5.1. Elaboración del Modelo numérico de análisis ......................................................................7 5.2. Resultados obtenidos......................................................................................................... 13
Fecha: 01 de septiembre de 2011
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1. Objetivos y Alcance El objetivo del presente informe es modelar un ejemplo real de una nave industrial aplicando los conocimientos de los cursos básicos de estructuras metálicas. Con el propósito de ilustrar sobre la aplicación práctica de la modelación en tres dimensiones, se desarrolla un ejemplo relativo a una estructura, cuyas características generales se consideran representativas de una modalidad constructiva utilizada con frecuencia en naves destinadas a plantas industriales con entrepiso para depósito. Existen muchos programas de análisis estructural disponible en forma comercial. Se empleará SAP2000 para la modelación numérica de la estructura propuesta en el trabajo.
2. Memoria descriptiva de la estructura La estructura consiste en una planta industrial de 27.5 m de largo por 18 m de ancho, con un entrepiso para depósito de materiales, emplazada en la ciudad de Rosario. La estructura de techo tiene una pendiente del 30% y está constituida por chapas apoyadas en correas separadas cada 1.50 m. Las correas están formadas por perfiles normales doble “T” que apoyan sobre vigas reticuladas ubicadas a una distancia de 5.5 m. Las vigas reticuladas están conformadas por diagonales y montantes de perfiles ángulos de alas iguales. La estructura de entrepiso apoya sobre correas que descansan sobre las vigas principales de entrepiso de sección doble “T”. Las columnas metálicas son sección armada de perfiles ángulos con presillas. Las mismas son biarticuladas, excepto las del pórtico frontal y posterior que están empotradas en una dirección para resistir las cargas de viento. Las uniones de los elementos estructurales serán ejecutadas de modo tal que conformen nudos articulados, evitando la formación de uniones rígidas que permitan la transmisión de momentos flectores entre las barras. Las vigas de contraviento se ubican a nivel de cordón superior y están conformadas por barras de acero de sección circular maciza AL220. La estructura se completa con zapatas como elementos de apoyo, que serán las encargadas de transferir la carga de la superestructura al suelo de fundación. El documento se encuentra organizado de la siguiente manera: En el primer apartado se presenta una descripción general de la geometría de la estructura. A continuación, se describe en detalle los sistemas de cargas que actúan sobre la construcción. Finalmente, se describe los pasos seguidos para la modelación en tres dimensiones y los esfuerzos y desplazamientos obtenidos.
3. Geometría de la estructura En los puntos siguientes se resumen las características generales del edifico:
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Tipología estructural: Estructura Metálica. Dimensiones en planta: 27.5 m x 18 m. Altura total: 10.2 m. Número de pisos: un piso con entrepiso para depósito de materiales Características de los materiales: Acero F-24. Fy= 235 MPa; Fu=370 MPa Cubierta: Cubierta a dos aguas con pendiente del 30% de Chapas acanaladas galvanizadas. Relleno de vanos de pórticos: Chapas acanaladas galvanizadas.
En la Figura 1 se presenta un esquema general de la disposición estructural de la planta, y en las Figura 2, Figura 3 y Figura 4 los cortes y Figura 5 las vistas de la nave industrial. 27,5 m 5,5 m
5,5 m
Pórtico Tipo B
m 0 , 9
Pórtico Tipo A m 0 , 8 1
Pórtico Tipo C m 0 , 9
Figura 1 Esquema general de la planta de techos.
m 7 , 2 m 7 , 3
m 8 , 3
9,0m
9,0m
Figura 2 Pórtico Tipo A.
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m 7 , 2 m 7 , 3 m 8 , 5
m 8 , 3
18,0 m
Figura 3 Pórtico Tipo B.
m 7 , 2 m 7 , 3
m 8 , 3
9,0 m
9,0 m
Figura 4 Pórtico Tipo C.
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Vista Lateral
Vista Frontal
Figura 5 Vista Lateral y Vista Frontal de la nave industrial.
4. Bases de Diseño 4.1. Estados de carga En este apartado se muestran los criterios adoptados para los diferentes estados de carga.
4.1.1. Cargas permanentes: Se considerarán como cargas permanentes aquellas originadas por el peso propio de los elementos componentes de la estructura. En este caso, deberán tenerse en cuenta el peso de las chapas de cerramiento de techo y laterales con las correspondientes aislaciones, elementos de fijación y unión, perfiles que componen las cabriadas, soportes auxiliares como tensores, soldaduras y todo elemento que por sus características de permanencia sobre la estructura pueda considerarse como peso propio integrante de la misma. Los valores adoptados para carga permanente de techo y de entrepiso son 0.30 kN/m2 y 0.90 kN/m2 respectivamente.
4.1.2. Sobrecarga útil: Los valores de sobrecarga útil adoptados corresponden a los establecidos por el Reglamento CIRSOC 101 de acuerdo al destino de la estructura. Para el techo, la carga útil considerada es de 0.57 kN/m2 y contempla el peso de las personas y equipos que serán necesarios para efectuar las tareas de montaje y mantenimiento y que no coexistirán con la máxima acción del viento.
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El entrepiso cumplirá funciones de depósito por lo que el valor de la sobrecarga de entrepiso es de 22.0 kN/m2. Se considerará además una sobrecarga útil debido a un puente grúa de 50 kN aplicando en los pórticos indicados en las Figura 1 y Figura 3
4.1.3. Acciones de Viento: En esta sección se describe el procedimiento general para la obtención de las acciones de viento sobre la estructura considerando sus efectos estáticos según el Reglamento CIRSOC 102 “Acción de viento sobre las construcciones”. Los pasos para la obtención de las acciones sobre los laterales y cubierta de la planta industrial se resumen a continuación: 1. Determinación de la velocidad de referencia ( ) Se obtiene de figura o tabla en función de la ubicación de la construcción. Para el desarrollo del Trabajo Práctico se consideró emplazada en la ciudad de Rosario. 2. Cálculo de la velocidad básica del diseño (Vo)
La velocidad básica del diseño Vo se calculará mediante la siguiente expresión: V 0
=
cp × β
Siendo: Vo la velocidad básica de diseño, expresada en metros por segundo. cp el coeficiente de velocidad probable, que toma en consideración el riesgo y el tiempo de riesgo adoptados para la construcción. 3. Cálculo de la presión dinámica básica (qo)
La presión dinámica básica qo se calculará mediante la expresión siguiente: q0
= 0.000613
V o
×
Siendo: qo la presión dinámica básica, expresada en kilonewton por metro cuadrado. (1 kN/m2 100 kgf/m2); Vo la velocidad básica de diseño, expresada en metros por segundo. 4. Determinación de la presión dinámica de cálculo (qz)
La presión dinámica de cálculo qz se calculará mediante la expresión siguiente: q z
=
qo
×
cz × cd
Siendo: qz la presión dinámica de cálculo, expresada en kilonewton por metro cuadrado qo la presión dinámica básica, expresada en kilonewton por metro cuadrado
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cz el coeficiente adimensional que expresa la ley de variación de la presión con la altura y toma en consideración la condición de rugosidad del terreno. cd el coeficiente adimensional de reducción que toma en consideración las dimensiones de la construcción. 5. Determinación de las acciones de viento sobre la estructura (W) Las acciones de viento sobre los laterales y cubierta resultará de la aplicación de la fórmula siguiente: W
=
c × qz
Siendo: W la presión de viento sobre la nave industrial en en kilonewton por metro cuadrado qz la presión dinámica de cálculo, expresada en kilonewton por metro cuadrado c el coeficinte de viento resultante de la suma del coeficiente de presión interior ci y el coeficiente de presión exterior ce y depende de las dimensiones y la forma de la estructura.
4.2. Combinaciones de Carga Se adoptaron las combinaciones de cargas establecidas en la publicación “Estructuras Metálicas” basadas en las Especificaciones AISC 1993. Deberán considerarse para el diseño los valores más desfavorables que resulten de combinar los efectos de las cargas gravitatorias, sobrecargas útiles y la presión de viento sobre la construcción, actuando en forma independiente según dos direcciones ortogonales. En función de lo expuesto se determinaron las siguientes combinaciones de acciones: (a) 1.4 Peso Propio (b) 1.2 Peso Propio + 1.6 Sobrecarga de equipos + 0.5 Sobrecarga útil de cubierta (c) 1.2 Peso Propio + 1.6 Sobrecarga de equipos + 0.8 Viento X (d) 1.2 Peso Propio + 1.6 Sobrecarga útil de cubierta + 0.8 Viento Y (e) 1.2 Peso Propio + 1.3 Viento X + 0.5 Sobrecarga útil de cubierta + 0.5 Sobrecarga de equipos (f) 1.2 Peso Propio + 1.3 Viento Y + 0.5 Sobrecarga útil de cubierta + 0.5 Sobrecarga de equipos (g) 1.2 Peso Propio + 0.5 Sobrecarga de equipos (h) 0.9 Peso Propio + 1.3 Viento X (i) 0.9 Peso Propio + 1.3 Viento Y
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5. Análisis y Evaluación Estructural En este apartado se presentan los pasos seguidos para la elaboración del modelo numérico y los resultados obtenidos para las diferentes combinaciones de cargas descriptas. Los análisis que aquí se presentan dan origen a las solicitaciones que se resumen y que se muestran en presente documento.
5.1. Elaboración del Modelo numérico de análisis Para la modelación de la planta industrial no se adoptaron “Templates” sino que se representaron los elementos estructurales por medio de barras, con la ayuda de una grilla. El gráfico resultante, como se observa en la Figura 6 es la base para asignar las secciones, materiales y cargas a los elementos constitutivos de la estructura.
Figura 6 Esquema general de la nave industrial en 3D.
Sobre el esqueleto del modelo se definieron las secciones de vigas y columnas del menú principal “Define” “Frame Section”, tal como se indica en la Figura 7
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Figura 7 Definición de secciones de los elementos estructurales.
Luego de definir las secciones y los materiales, en el siguiente paso se asignaron dichas propiedades a los elementos. Para ello se seleccionó cada barra y se adoptó alguna sección previamente definida del menú principal “Assign”, “Frame”, “Frame Section” tal como se observa en la Figura 8
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Figura 8 Asignación de secciones de los elementos estructurales.
Asignados las dimensiones a elementos, las barras del modelo pueden verse como lo muestra la Figura 9
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Figura 9 Vista en 3D de los elementos del modelo numérico.
En segundo lugar se definieron los sistemas de cargas que actuarán sobre las vigas, del menú principal “Define” “Load Cases”, tal como se indica en la Figura 10
Figura 10 Definición de los sistemas de carga.
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El factor “Self Weigth Multiplier” tiene el valor 1 solo para la carga “DEAD” correspondiente al peso propio, no así el resto de los sistemas definidos. Esto quiere decir que no se va a considerar el peso propio en las cargas donde el factor sea 0. Luego de definir los sistemas de carga, el paso siguiente es aplicarlos a los elementos estructurales, para cual se selecciona el elemento donde se va a aplicar la carga y luego del menú principal la opción “Assign”, “Frame Loads”, “Distributed” como se observa en laFigura 11
Figura 11 Asignación de los sistemas de carga.
Las cargas aplicadas al modelo se muestran en las figuras siguientes: Figura 12 y Figura 13
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Figura 12 Cargas en el pórtico frontal debidas al viento en una dirección.
Figura 13 Cargas en el pórtico lateral debidas al viento en una dirección.
Finalmente se asignaron las condiciones de vínculo de la estructura, para lo cual se seleccionaron las juntas y del menú principal las opciones “Assign”, “Joints”, “Restraints”. Se adoptaron soportes articulados con restricción de desplazamientos en las direcciones x e y en una dirección y empotrados en la dirección donde no existen arriostramientos laterales para soportar las cargas de viento, como se indica en la Figura 14
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Figura 14 Condiciones de Borde
El procedimiento desarrollado corresponde a la entrada de datos al programa. La etapa siguiente consiste en resolver el problema y dar una solución, para lo cual se selecciona del menú “Analyze”, la opción “Run”.
5.2. Resultados obtenidos Los resultados obtenidos del modelo numérico permiten estudiar el comportamiento global de la estructura y las solicitaciones que el sistema de cargas provoca en los elementos componentes. En las figuras siguientes se indica esquemáticamente los gráficos obtenidos para una combinación de acciones escogida. Los valores de momentos, cortes y desplazamientos para cada una de las combinaciones de acciones propuestas pueden importarse a Excel para obtener los resultados precisos en cada punto o elemento.
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W
Figura 15 Deformada del pórtico frontal para las cargas de viento en la dirección indicada.
W
Figura 16 Diagrama de momentos para viento actuando en la dirección indicada
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Figura 17 Esfuerzos obtenidos para el elemento indicado, resultante de la acción de viento W.
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W
“Moment 3-3”
W
“Shear Force 2-2” Figura 18 Diagrama de Momentos y Cortes correspondientes.
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