UNIVERSIDAD DE CUENCA
ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE UNA NAVE INDUSTRIAL Avecillas Javier – Carchi Álvaro – Orellana Pablo 10 MO CICLO 1 25/06/2014
ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE UNA NAVE INDUSTRIAL 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVO DEL PROYECTO La carrera de Ingeniería Civil tiene entre sus principales objetivos el preparar a los futuros profesionales en el campo del diseño y análisis de estructuras, aplicando y reconociendo los conceptos de los factores que determinan la modelación de un proyecto estructural a través del análisis de las estructuras compuestas por diferentes materiales. El objetivo de este trabajo se basa en la aplicación de los conocimientos adquiridos anteriormente en materias como Resistencia de Materiales, Estructuras, Hormigón, Estructuras de Acero, para de esta manera integrarlos en un proyecto real de una Nave Industrial a ser diseñada en un lugar con condiciones específicas. Se busca además utilizar un programa para el análisis y comparación de los efectos de las cargas sobre la estructura. A continuación se presenta la memoria técnica descriptiva correspondiente al cálculo del proyecto estructural denominado: “Análisis y Diseño Estructural de una Nave Industrial”.
2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL PROYECTO Y DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA OBRA Se realiza el proyecto correspondiente a una estructura para una nave industrial. La estructura se construirá in-situ con hormigón premezclado, en la Ciudad de Cuenca en terreno llano y protegido. A continuación se presentan las principales características del proyecto:
La nave tendrá intercolumnios de 6m y una luz de 12m. Los elementos de cubierta, entrepiso y fachada serán de viga doble te. El elemento principal será la viga de sección variable. El puente grúa tendrá una capacidad de 8 toneladas. El área total será de 30m x 18m y una altura hasta el asentamiento de las vigas igual a 8.4m.
Se diseñan además vigas para la losa que se encontrara en la parte trasera de la nave, y su uso será para oficinas.
Hormigón de resistencia a la compresión f’c=240 kg/cm2 y de peso específico 2400 kg/m3. Acero con resistencia fy=4200 kg/cm2 y peso específico 7850 kg/m3.
Las características del suelo se consideran con una capacidad portante 2.0 kg/cm2.
Para la realización de este trabajo se considera la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC-11) como código general de construcción en el país para la determinación de diferentes factores como las cargas y factores sísmicos, entre otros. Además se ha utilizado el programa SAP 2000 v15 para la modelación de la estructura y la obtención de los momentos bajo las condiciones de carga planteadas. La especificación de las cargas y el análisis se debe hacer bajo ciertas idealizaciones. Según la NEC, Capítulo 1, se define seis tipos de carga: permanente o muerta (D), carga viva (L), carga por viento (W), carga granizo(S), carga lluvia (R) y la carga sísmica (E).
COMBINACION DE CARGA I. II. III. IV. V. VI. VII.
1.4 D 1.2 D + 1.6 L + 0.5 (L o S o R) 1.2 D + 1.6 (L o S o R) + (L o 0.5W) 1.2 D + 1.0 W + L + 0.5 (L(L o S o R) 1.2 D + 1.0 E + L + 0.2 S 0.9 D + 1.0 W 0.9 D + 1.0 E
Los cálculos y dimensionamiento se han realizado utilizando una hoja electrónica (Excel 2013), basados en los valores obtenidos de la modelación de la estructura en SAP 2000 y los criterios de diseño planteados anteriormente.
Todos los cálculos estructurales fueron realizados en base a de la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC 11) y del Código ACI-318.
3. DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO DE CADA ELEMENTO El diseño debe empezar por el dimensionamiento de las cargas actuantes. Se considera carga a toda fuerza o acción que resulta del peso de los materiales de construcción de la edificación, el peso y la actividad de sus ocupantes y sus pertenencias, efectos ambientales y climáticos, movimientos diferenciales, o restricciones a los cambios dimensionales. Estos dimensionamientos de carga consideran factores de seguridad, es decir factores que toman en cuenta las desviaciones entre la resistencia real y la resistencia teórica, las desviaciones entre la carga real y la carga nominal, y las incertidumbres del análisis en la transformación de las cargas en solicitaciones, y del modo de falla y sus consecuencias. El primer factor a considerar serán las cargas en cubierta, los mismos que servirán para el diseño de la losa doble te que se ubicará sobre la nave. Para el puente grúa se deberá además considerar una capacidad de ocho toneladas para soportar de manera puntual. Las conexiones entre elementos se detallan en cada sección. En síntesis la nave se ha diseñado empotrada y conformando un solo elemento con las zapatas. La losa superior se encuentra sobre las vigas transversales y transmitiendo carga a las laterales, por tal motivo se ha diseñado una losa bidireccional. La viga del puente grúa se encuentra unida mediante una ménsula a la columna. Las vigas que soportan la losa de las oficinas en cambio se han articulado a las columnas. La resistencia requerida de los miembros estructurales y conexiones será determinado mediante análisis estructural para las combinaciones de carga que corresponda. El diseño estará basado en el principio que cuando la estructura es sometida a las combinaciones de cargas apropiadas, ningún límite aplicable, sea resistente o de servicio, será excedido. El diseño se basará de acuerdo a la siguiente ecuación:
≤ ∅ Donde:
= ∅ = , ú . = , ú . ∅ = ñ.
4. LOSA DOBLE TE A continuación se presenta la geometría básica de la losa doble te a usar en el proyecto.
4.1.
CARGA MUERTA (D)
La carga muerta consiste en los pesos de los diversos miembros estructurales, en el caso de la cubierta se toma el peso de un recubrimiento de mortero de 5 cm de espesor. Mediante el volumen, la densidad del hormigón y las dimensiones de la longitud y ancho de la losa obtenemos D en 102 kg/m2.
4.2.
CARGA VIVA (L)
Según la NEC, la carga en cubiertas inclinadas se debe tomar como carga uniforme igual a 71 kg/m2.
4.3.
CARGA POR VIENTO (W)
Ya que la nave se encuentra en un lugar llano y protegido en la ciudad de Cuenca, en donde los vientos no sobrepasan los 75km/h, se considera este valor, como referencia (NEC) para el cálculo de la W. La ecuación (1) presenta la forma para calcular la presión debida al viento. La tabla 1 indica los valores asumidos para el cálculo.
Ec. (1)
Donde: p
1.25
kg/m^3
Vb
21.0
m/s
Ce Cf
1.0
No especifica
1.3
Barlovento
P
37.0 kg/m2 Tabla 1: Valores para la presión del viento
4.4.
CARGA LLUVIA (R) Y CARGA GRANIZO (S)
Ya que la cubierta tendrá una inclinación que no permite el almacenamiento de agua, se considera este valor igual a 0. Para la carga de granizo, la misma que se puede concentrar en la cubierta se asume un espesor máximo de 10 cm, con un valor de 90 kg/m2.
4.5.
CARGA SISMO (E)
La carga de sismo se desprecia ya que se considera una superficie horizontal. Finalmente, estas combinaciones de carga serán introducidas en el programa SAP 2000 para luego generar una envolvente de cargas, la cual nos proporcionara las cargas últimas de diseño más desfavorables.
5. DISEÑO DE LA VIGA PRINCIPAL Considerando que la luz de la nave industrial en el diseño tiene dimensiones mayores a las comunes en hormigón armado, el peralte necesario para controlar las deflexiones resulta demasiado grande. El peralte deberá soportar las cargas actuantes y su peso propio, el mismo que puede ser mayor a las primeras cargas. Por esta razón se considera una viga de sección variable diseñada de tal manera que en el punto donde se concentra los mayores esfuerzos el peralte sea mayor y disminuya el peso propio de la misma, soportando así los esfuerzos resultantes por las cargas de una manera más eficaz.
El diseño se realiza considerando una viga en
I
con una variación lineal desde sus
extremos hasta su peralte máximo en el medio. En los extremos se ha garantizado una sección maciza puesto que se necesita que la viga resista la fuerza cortante que actúa en este punto. El diseño para la viga se realiza a fluencia garantizando que el área a compresión esté únicamente en el patín superior. El acero se colocara en toda la sección como si indica en el plano anexo para garantizar el mejor funcionamiento alma-patín.
6. DISEÑO DE LA LOSA
7. DISEÑO DE VIGAS SECUNDARIAS
8. DISEÑO DE LA MÉNSULA Las ménsulas son estructuras en voladizo que tienden a actuar más en cortante que como vigas a flexión. Para el procedimiento de diseño de las ménsulas se reconoce su comportamiento como viga de gran altura. Se debe impedir además los cuatro modos de falla potenciales como el corte directo en la interface entre la ménsula y el elemento que se apoya, la fluencia de la armadura traccionada, el aplastamiento de la biela comprimida interna y la falla localizada por aplastamiento o por corte debajo el área cargada. Las ménsulas diseñadas en este proyecto serán de tipo cortas y soportarán la viga grúa simplemente apoyada. Los parámetros de diseño se basan en la sección 11.8 del ACI 318-08: “Disposiciones especiales para ménsulas y cartelas”. Se considera además una cantidad mínima de refuerzo para evitar la posibilidad de falla súbita en caso de fisura. El comportamiento de las ménsulas de hormigón se encuentra controlado principalmente por la resistencia al corte. Los elementos principales de diseño de la ménsula son la distancia en voladizo y la altura útil de la pieza, como se detallan en los planos Anexos. La sección crítica para el diseño de las ménsulas se toma en la cara del apoyo, la misma que resistirá simultáneamente un esfuerzo de corte, un momento y una fuerza de tracción horizontal.
9. DISEÑO DE LAS COLUMNAS
Una columna es un miembro estructural cuya función principal es resistir carga axial de compresión. Debido a la altura que presentan las columnas de diseño se deberá considerar además la esbeltez de la misma, es decir el efecto de la longitud. Las cargas y momentos de diseño para todas las columnas se han dimensionado utilizando el software descrito anteriormente bajo una combinación de cargas de servicio y para la mayor envolvente. Al estar sometidas las columnas a flexo compresión, su diseño se realiza en base a los diagramas de iteración unidireccional. Estos diagramas representan en el eje vertical las cargas axiales resistentes y en el eje horizontal representa los momentos flectores resistentes. Por lo tanto la relación entre el momento y las cargas axiales, considerando el mayor de estos medidos con relación a un eje principal centroidal de la sección transversal de la columna (excentricidad). Cualquier punto que se encuentre fuera de la curva determinara que la sección transversal es incapaz de resistir las especificaciones solicitadas.
No se considera el factor de reducción de capacidad ( ∅), solamente se manejan cargas axiales y momentos flectores. En las zonas sísmicas como la de nuestra zona de diseño, usualmente las fuerzas axiales son las que gobiernan el diseño de las columnas, a pesar de la importancia en la relación del momento-excentricidad. Se debe considerar además utilizar armadura simétrica por el efecto de reversibilidad de los sismos.
Es importante saber que la presencia de grandes cargas axiales disminuye considerablemente la capacidad resistente a la flexión de las columnas. A partir de los fundamentos presentados por el capítulo 4 del NEC, las secciones en los extremos de las columnas serán diseñadas para la combinación más desfavorable de momentos (en ambas direcciones horizontales) y carga axial. Mediante el capítulo 21 del ACI 318, “Estructuras Sismo Resistentes” se toman los parámetros y requerimientos para las conexiones viga-columna.
10.DISEÑO DE LAS ZAPATAS Antes de realizar la construcción de las zapatas y su diseño se debe verificar las condiciones del suelo para la cimentación, conocer la compactación y humedad apropiada, además determinar la profundidad de excavación idónea. De ser necesario se coloca un replantillo con hormigón de 140 kg/cm2 con espesor de 15 a 20 cm (NEC, capitulo 4). La cimentación superficial utilizada, zapata, consiste en un prisma de concreto situado bajo cada columna de la nave. El diseño de las zapatas se realiza para transmitir la carga de la estructura hacia el suelo portante. El diseño se lo hizo a flexión como elemento principal de diseño. La zapata es monolítica con la columna y se opta por diseñar zapatas aisladas, cuadradas y centradas. El diseño a flexión de la zapata es a fluencia y deberá soportar el punzonamiento de la columna, se ha realizado utilizando los criterios presentados en el capítulo 4 del NEC. El dimensionamiento de las zapatas se comprueba mediante la capacidad portante del hundimiento y del estado de equilibrio (deslizamiento y vuelco). Los detalles de las zapatas se encuentran en el plano correspondiente en el Anexo, la profundidad de las zapatas se encuentra a 1.2 m. La capacidad portante del suelo es de 2 kg/cm2 y un factor de seguridad igual a 3.
11.ANEXOS
