DISEÑO DE NAVES INDUSTRIALES

MÁSTER semipresencial de Especialización en ESTRUCTURAS METÁLICAS de CYPE Versión imprimible

B2

Tema 3. Cálculo de naves industriales

Bloque 2: Naves Industriales

Máster semipresencial de Especialización en Estructuras Metálicas B2


Índice de contenidos Parte 1: Generalidades Unidad 01: Objetivos Parte 2: Naves Alma Llena Unidad 01: Ejemplo Nave Alma Llena Unidad 02: Pilares y dinteles Unidad 03: Dintel con Cartelas Unidad 04: Dos aguas con pilar intermedio Unidad 05: Cálculo de Uniones Parte 3: Naves en celosía Unidad 01: Características comunes Unidad 02: Ejemplo Nave en Celosía Unidad 03: Análisis celosía Unidad 04: Cálculo de uniones Parte 4: Naves perfiles armados Unidad 01: Introducción Nave PVS Unidad 02: Análisis Naves PVS

© ZIGURAT Consultoría de Formación Técnica S.L. 31/03/2009 (Ed.) – 25/05/2009 (Rev.1)

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Índice de contenidos Parte 1: Generalidades Unidad 01: Objetivos Parte 2: Naves Alma Llena Unidad 01: Ejemplo Nave Alma Llena Unidad 02: Pilares y dinteles Unidad 03: Dintel con Cartelas Unidad 04: Dos aguas con pilar intermedio Unidad 05: Cálculo de Uniones Parte 3: Naves en celosía Unidad 01: Características comunes Unidad 02: Ejemplo Nave en Celosía Unidad 03: Análisis celosía Unidad 04: Cálculo de uniones Parte 4: Naves perfiles armados Unidad 01: Introducción Nave PVS Unidad 02: Análisis Naves PVS


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Parte 1: Generalidades Unidad 01: Objetivos Objetivos En este tema se tratan las tres tipologías estructurales más utilizadas para naves industriales. Naves con perfiles alma llena con/sin cartelas. •

•

Naves en celosía.

•

Naves perfiles armados.

En el tema anterior se trataron los aspectos teóricos más relevantes en el cálculo. En este tema se tratan de manera práctica con la ayuda del programa Nuevo Metal 3D y potenciando el cálculo manual rápido de comprobación. Los objetivos generales para este tema son los siguientes: Adquirir criterio para para saber saber qué aspectos son importantes importantes en en el cálculo y así ahorrarnos •

comprobaciones comprobaciones que no sean determinantes. determinantes. •

Adquirir agilidad agilidad y argumentos argumentos que defiendan la tipología tipología estructural estructural escogida escogida frente a otras posibles.

•

Analizar esfuerzos para la detección de errores en la introducción de la nave en Nuevo Metal 3D.

•

Analizar la traslacionalidad traslacionalidad de la estructura.

•

Analizar y verificar la resistencia resistenci a de las secciones con la ayuda del Nuevo Metal 3D.

•

Conocer el comportamiento comportamiento de pilares pilares y dinteles frente al al pandeo pandeo y pandeo lateral.

•

Dimensionar Dimensionar uniones uniones y adquirir adquirir criterios que faciliten el montaje.

En resumen, se aborda en tema desde una perspectiva totalmente práctica y muy útil para adquirir agilidad y buenos criterios de diseño.


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Características comunes Para cumplir con los objetivos expuestos se propone el cálculo de varias estructuras para ser posteriormente analizadas. A menos que se indique lo contrario, todas las estructuras cumplen con las características que se exponen a continuación, por lo que se recomienda tener presentes a lo largo de este tema dichos criterios de diseño.

Criterios geométricos Pórtico principal Los pórticos serán de distinta tipología estructural (a dos aguas con uno o dos pilares intermedios, en celosía o bien con perfiles armados de sección variable, etc.) aunque todos cumplirán con las siguientes características: •

Altura de cálculo de pilares exteriores = 8(m)

•

Pendiente de la cubierta = 10%

Figura 1.1.1 Pórtico principal •

Número de pórticos = 9

•

Distancia entre pórticos = 6m

Figura 1.1.2 Número de vanos

Pórtico hastial Tal y como se muestra en la Figura 1.1.3 se plantean los pórticos hastiales del tipo no expandible y con las siguientes consideraciones: Uniones articuladas en la cabeza y base de los pilares. •

•

La distancia entre pilares hastiales será de 5m.


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•

Todos los pilares tienen las mismas dimensiones incluyendo los de las esquinas, estando girados 90º respecto a los pilares del pórtico principal.

•

Altura de pilar exterior de 8m.

•

Dintel continuo.

Figura 1.1.3 Pórtico hastial •

En el modelo de cálculo se aplican restricciones de movimiento horizontal en las cabezas de los pilares correspondientes para la simulación de los arriostramientos de la fachada hastial.

Figura 1.1.4 Pórtico hastial

Materiales Todos los aceros utilizados cumplen con el DB-SE-A y tienen las siguientes características comunes: Módulo de elasticidad: E=210.000 N/mm 2 •

•

Módulo de rigidez:

G=81.000 N/mm2

•

Coeficiente de Poisson:

v=0,3

•

Coeficiente de dilatación térmica:

α=1,2·105 (ºC)-1

Densidad:

•

ρ=7.850 kg/m3


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¿Sabías que?

Estos materiales son comúnmente conocidos y utilizados, basando sus procedimientos de comprobación en su comportamiento dúctil. Cualquier material que se utilice, ya sea en estructura primaria o secundaria, deberá de cumplir que la resistencia a la rotura frágil sea superior a la resistencia a la rotura dúctil. También se garantiza que la temperatura de transición (temperatura mínima en la que la resistencia a la rotura dúctil supera a la frágil) es menor a la mínima de las temperaturas a las que va a estar sometida la estructura. Los aceros que se mencionan a continuación cumplen con los anteriores requisitos. También cumplen con los requisitos de soldabilidad y, por lo tanto, sólo habrá que tomar precauciones en uniones con chapas con espesores muy distintos. S 275 JR S 275 JR S 275 JR S 275 J0H S 355 J2H Clase 10.9 S 275 JR B400S

Perfiles laminados en caliente de alma llena (IPE, HEA, HEB,...). Correas tipo Z conformadas en frío. Chapas y redondos de arriostramiento. Perfiles tubulares de espesor de pared <8mm generalmente para las diagonales de las cerchas. Perfiles tubulares de espesor de pared ≥ 8mm generalmente para los cordones superior e inferior de las cerchas. Tornillos y tuercas (fyb=900N/mm2 y fub=1000 N/mm2 límite elástico y de rotura, respectivamente). Placas de anclaje y rigidizadores. Corrugados para los pernos de anclaje.

Estado de cargas Las naves proyectadas parten todas de un mismo estado de cargas para de este modo poder obtener análisis comparativos y conclusiones. Cargas Permanentes 0,05 kN/m2 Peso propio de correas (ZF-200x2.5 cada 1.5m). 2 0,15 kN/m Peso cerramiento (panel sándwich ligero). 2 0,10 kN/m Sobrecarga de instalaciones (alumbrado, rociadores de CI, tubos de aire acondicionado). El peso propio del resto de perfiles lo considera el programa de cálculo automáticamente (dinteles, pilares, cartelas, cerchas, tubos de compresión, etc.). Sobrecarga de viento El programa de cálculo define los parámetros c e y cp, y calcula la sobrecarga de viento aplicada (qe=qb·ce·cp). Velocidad básica del viento en zona C equivale a q b=0,52 kN/m2. •

•

En el coeficiente de exposición c e se considera zona IV.

•

El coeficiente de presión depende de la forma del edificio y dirección del viento.


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Sobrecarga de nieve En zona invernal 2 con una altitud de 300m e interpolando obtenemos una carga de nieve de 0,55 kN/m2 (Tabla E.2 del DB-SE-AE (ver anexo pág. 1)). Sobrecarga de uso no considerada En la Tabla 3.1 del DB-SE-AE (ver anexo pág. 1) se define la categoría de uso G1 “Cubiertas ligeras sobre correas (sin forjado)”. Las naves industriales que se proyectan se incluyen en esta categoría. La carga dominante entre la de S.Nieve y S.Uso es la de S.Nieve. Consideramos que estas cargas no se dan simultáneamente. S.Nieve = 0,55 kN/m2 > S.Uso = 0,40 kN/m2 Por lo tanto, no se considera la S.Uso. Otras cargas no consideradas: Para no incluir más variables en el cálculo no se proyectan las estructuras de este tema con las siguientes cargas: Puente grúa. •

Sísmicas.

•

Térmicas.

•

Límites de deformación Las normativas vigentes no especifican límites de deformación concretos para naves industriales con cerramientos ligeros. Tal y como se especifica en el apartado 7.2 de la UNE EN 1993-1-1_7.2:2005 (ver anexo pág. 2) , los límites de flecha deben acordarse con el cliente y para el proyecto en concreto. Haciendo una interpretación generosa se han acordado los siguientes límites. Límites de flecha vertical El DB-SE no determina explícitamente ningún límite de deformación vertical para estructuras porticadas de una sola planta con cerramientos ligeros como el caso de las naves industriales que nos ocupa. En el Apartado 4.3.3.1-1.c del DB-SE (ver anexo pág.2) se agrupan los casos que no quedan determinados en el resto de grupos, y por lo tanto, interpretamos un límite de flecha vertical de L/300. Límites de flecha horizontal En el Apartado 4.3 del DB-SE (ver anexo pág. 3) no se determina ningún límite de flecha horizontal para edificios livianos con cerramientos ligeros, como las naves industriales que proyectamos. Sí lo determina para elementos como fachadas rígidas. Así pues, nos vemos obligados a recurrir a otras normas: la Tabla 37.2.2 de EAE (ver anexo pág. 3) determina un límite de H/150 para pórticos sin elementos frágiles susceptibles de fallar en los cerramientos, fachada y cubierta. En resumen, adoptamos los siguientes valores límite:

  300    150


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Consideraciones de estabilidad Análisis de traslacionalidad Inicialmente, será necesario determinar la traslacionalidad del pórtico en su plano. Para ello, seguiremos la siguiente metodología: Asignar coeficiente de pandeo β=1 en el plano del pórtico en pilares. •

•

Asignar cargas por imperfecciones globales.

•

Calcular la obra y dimensionar los perfiles por resistencia y deformación.

Calcular αcr para la combinación de mayor carga vertical.

•

•

•

Determinar los coeficientes de pandeo de los pilares con el Método de Wood. Si αcr <10, coeficiente β>1

Cálculo en 1er orden con pandeo traslacional.

Si αcr >10, coeficiente β≤1

Cálculo en 1er orden con pandeo intraslacional.

Determinar el coeficiente de pandeo del dintel. En el plano del pórtico utilizaremos la simplificación que nos permite realizar la NOTA 2B del Apartado 5.2.1 de la UNE EN 1993-1-1:2005 (ver anexo pág. 4) . Si la esbeltez

adimensional del dintel en el plano del pórtico es menor que la de referencia, el axil no es significativo en el cálculo. Si

     0.3 . 

el axil no es significativo.

Se interpreta que, si un axil no es significativo, el porcentaje de aprovechamiento de la sección debido al axil será muy bajo. Consecuentemente, el aprovechamiento será insensible al pandeo por compresión y el resultado no se modificará considerando un coeficiente de pandeo distinto. Dicho esto, y conocidas las deformadas del primer modo de pandeo, se propone un

  0.5 para la luz total del pórtico.


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Pandeo pilares pórticos principales Pandeo pilar en el plano del pórtico: Una vez determinado el coeficiente de pandeo •

con el Método de Wood se introduce en el programa. Si lo deseamos, el programa de cálculo (por ejemplo, Nuevo Metal 3D) nos calcula el coeficiente de pandeo. Tan sólo tenemos que indicar si el pórtico es traslacional o intraslacional. En función de ello, el programa calcula el coeficiente de pandeo. Verificamos que el coeficiente de pandeo que nosotros hemos calculado coincide con el que nos propone el programa. Asignamos el que nosotros hemos calculado. •

Pandeo pilar en el plano perpendicular del pórtico: Proyectamos la estructura con pilares empotrados en la base y articulados en la cabeza. La consideración de articulación en la cabeza se debe a la colaboración de los tubos de compresión y a los arriostramientos tal y como se muestra en la Figura 1.1.5

Por lo tanto,

  0.7 (articulado – empotrado)

Figura 1.1.5. Tubos de compresión y arriostramientos


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Para saber mas

Debido a la gran diferencia dimensional entre pilares y correas de fachada, no se asume la colaboración de las correas en la constricción al pandeo. Consideramos que las correas de fachada no tienen la rigidez suficiente como para impedir el pandeo. Además, el tipo de unión existente entre correa y perfil no garantizaría la correcta transmisión de esfuerzos. Las correas están diseñadas normalmente para trabajar con un esquema triapoyado y con la carga linealmente repartida. Suponer que puede constreñir el pilar a pandeo significa que aceptamos que una correa tipo Z puede someterse a esfuerzos de compresión.

Pandeo dintel pórtico principal Pandeo dintel en el plano perpendicular al pórtico: Se considera que el conjunto •

formado por las correas y el cerramiento de cubierta actúan como un diafragma parcialmente rígido y transmiten los esfuerzos de compresión producidos por el viento hacia los tubos de compresión. Aceptando estas premisas, el conjunto (cerramiento cubierta + correas) es capaz de constreñir el pandeo del dintel en el plano perpendicular al pórtico con una longitud entre constricciones de 5m.

  5000 •

Pandeo dintel en el plano del pórtico: Se considera coeficiente de pandeo igual a 0.5 si se cumple la siguiente condición: Si

     0.3 . 

  0.5

Pandeo pilares pórticos hastiales En el caso de los pilares hastiales, se considera que las correas de fachada pueden constreñir el pandeo en el plano del pórtico. La similitud de dimensiones entre los pilares hastiales y las correas de fachada permite considerar la colaboración de las correas en el pandeo de los pilares. Considerando el muro perimetral, la primera correa de fachada se sitúa a una altura de 2.5m. Por el contrario, los pilares de los pórticos tipos tienen unas dimensiones mayores que las dimensiones de las correas de fachada, con lo que no se considera que las correas puedan constreñir el pandeo de los pilares. En el plano perpendicular al pórtico, el coeficiente de pandeo es igual a la unidad por tener el pilar articulado en la base y en la cabeza. L pxy=2,5(m) En el plano del pórtico: En el plano perpendicular al pórtico: xz=1




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Pandeo Dintel pórtico hastial El dintel del pórtico hastial es distinto al del pórtico principal y se proyecta como un perfil continuo con apoyos intermedios que coinciden con los pilares hastiales situados cada 5m. En el plano del pórtico: L pxz = 5m En el plano perpendicular al pórtico: L pxy:= 5m Pandeo Tubos de compresión Los tubos de compresión coinciden con la cabeza de los pilares y transmiten los esfuerzos hasta los arriostramientos de la viga de contraviento. Estos perfiles y las vigas de contraviento son de vital importancia para la estabilidad de los pórticos en el sentido longitudinal de la nave. A efectos de cálculo, se consideran los extremos articulados y con un coeficiente de pandeo β=1 en ambos planos de pandeo. En la Figura 1.1.6 se indican las condiciones de pandeo explicadas anteriormente:

Figura 1.1.6 Resumen de las condiciones de pandeo

Las condiciones de pandeo para los pórticos en celosía se definen en la unidad correspondiente de este tema. Pandeo Lateral Es importante definir el pandeo lateral, ya que afecta significativamente en el agotamiento de la sección por resistencia. Se adoptan los criterios que se detallan a continuación. Pandeo Lateral pilar pórtico Ala exterior : Consideramos la colaboración de las correas de fachada. Además, •

tendremos en cuenta un muro perimetral de 2,5 de altura y la primera correa en fachada se situará a la cota superior del muro. © ZIGURAT Consultoría de Formación Técnica S.L. 31/03/2009 (Ed.) – 25/05/2009 (Rev.1)

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Lc_ext= 2,5m (longitud entre constricciones a torsión). •

Ala interior : En el tramo intermedio del pilar no se considera ningún elemento que impida el pandeo lateral. Por el contrario, las uniones en la cabeza y en la base del pilar impiden la torsión del perfil. De esta manera se considera: Lc_int = Lpilar

Opinión del Experto

Recordar que los tornapuntas en los pilares son susceptibles a ser sustraídos fácilmente, además de molestar en la ubicación de maquinaria y estanterías. Así, se recomienda no considerar la colaboración de tornapuntas en los pilares. Pandeo Lateral dintel pórtico Ala superior : Se tiene en cuenta que las correas colaboran a constreñir el pandeo •

lateral. Lc_sup= 1,5m •

Ala inferior : Se tiene en cuenta que las correas colaboran a constreñir el pandeo lateral mediante los tornapuntas ubicados cada dos correas. Lc_inf = 3,0m


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En la Figura 1.1.6 se indican las condiciones de pandeo lateral detalladas anteriormente:

Figura 1.1.7. Resumen condiciones de pandeo lateral


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PARTE 2: NAVES CON PERFILES DE ALMA LLENA UNIDAD 1: Ejemplo de nave Alma Llena Introducción Objetivo En esta unidad se propone la introducción y cálculo de las naces industriales que se van a tratar a lo largo de este tema. A modo de guía, se propone el visionado del video que consta a continuación. Los programas a utilizar son Nuevo Metal 3D y la herramienta Generador de Pórticos.

Desarrollo

Inicialmente, y con la herramienta Generador de Pórticos, se introduce la geometría del pórtico principal de la nave, las cargas, las correas de cubierta y fachada, el número de pórticos, etc. Posteriormente, se exporta la obra al Nuevo Metal 3D y obtenemos una estructura porticada sin hastiales, sin viga de arriostramiento y sin los tubos de compresión con lo cual se deberá completar la geometría de la nave. La gran ventaja de la importación de la obra desde el Generador de Pórticos es que se obtienen las cargas aplicadas automáticamente en las barras de la estructura. Con ello, nos ahorramos tiempo y además se disminuyen las posibilidades de error con respecto a una introducción manual de las cargas. El núcleo importante de esta unidad radica en el análisis de la traslacionalidad del pórtico y se determina a partir del cálculo del alfa crítica. Una vez determinada la traslacionalidad, se calcula el coeficiente de pandeo del pilar con la fórmula simplificada del Método de Wood. Finalmente, se verifican los perfiles de la nave para que cumplan con los requerimientos de resistencia y deformación.

** VER VÍDEO EN LA VERSIÓN ONLINE. Video 2.1.1. Ejemplo de Nave de Alma Llena


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UNIDAD 2: Pilares y dinteles Introducción Objetivo En esta unidad se abordan los criterios de dimensionado del pórtico principal modificando luces entre pilares, tipologías de perfiles, condiciones de pandeo y condiciones de pandeo lateral. Con todas estas variables, y con la ayuda del Nuevo Metal 3D, se obtienen conclusiones interesantes sobre la relevancia de cada una de las variables mencionadas en el aprovechamiento de la sección.

Desarrollo

En el dimensionamiento de pilares se determina la influencia del pandeo y pandeo lateral. Las restricciones a torsión en pilares pueden llegar a ser relevantes en el aprovechamiento de la sección. La verificación del aprovechamiento de la sección que calcula el programa Nuevo Metal 3D se efectúa mediante la Hoja de Excel Traslacionalidad pórtico.

** REALIZAR DESCARGA EN LA VERSIÓN ONLINE. •

Diríjase a la sección RECURSOS del curso versión online y localice el fichero “Traslacionalidad_portico.xls”.

Además, se comenta alguna de las simplificaciones por el lado de la seguridad que efectúa el programa Nuevo Metal 3D. En el dimensionamiento de dinteles, se comenta la influencia del pandeo lateral y la importancia de la distancia entre tornapuntas. Además, se comprueba que la compresión es irrelevante a efectos de pandeo mediante el método propuesto en la EN-1993-1-1:2005. Finalmente, se realiza una comparativa entre naves industriales con distintas luces entre pilares y considerando el peso de los pórticos principales. Las conclusiones aportan datos que nos indican que, a partir de una luz en concreto, la tipología estructural de alma llena no optimiza el peso de la estructura con lo que nos podemos plantear el uso de otras tipologías (alma llena con cartelas, celosía, sección variable, etc.)

** VER VÍDEO EN LA VERSIÓN ONLINE Video 2.2.1. Pilares y dinteles


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UNIDAD 3: DINTEL CON CARTELAS Introducción Objetivos En esta unidad, y con el apoyo de un video, se concretan los criterios de dimensionado utilizando cartelas como refuerzo en las zonas más solicitadas del dintel. La utilización de cartelas provoca en la mayoría de los casos una disminución en un grado del perfil del dintel. Consecuentemente, la utilización de cartelas produce un ahorro de costes de material y, por el contrario, un aumento de costes en mano de obra que se pueden cuantificar mediante longitud de cordón de soldadura.

Desarrollo

Se indican los resultados del dimensionado con cartelas de naves a dos aguas sin pilar intermedio con distintas luces entre pilares y se analizan los diagramas de aprovechamiento y diagramas de momentos del dintel. Se comparan los resultados con los obtenidos del dimensionado del pórtico sin utilizar cartelas y se cuantifica el ahorro de material. Por el contrario, también se cuantifica el incremento de coste en metros lineales de soldadura. Posteriormente, se realiza el mismo estudio con naves industriales a dos aguas con un pilar intermedio. El diagrama de aprovechamientos del dintel es distinto con lo que la ubicación de las cartelas se modifica. Del mismo modo, también se cuantifican los ahorros de material con respecto al dimensionado sin cartelas. Finalmente, se representan gráficamente los ratios de peso/superficie respecto a la luz del pórtico y se obtienen conclusiones.

** VER VÍDEO EN LA VERSIÓN ONLINE. Video 2.3.1. Dintel con cartelas


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UNIDAD 4: DOS AGUAS CON PILAR INTERMEDIO Introducción

Objetivo

En la presente unidad se explican los criterios de diseño de naves industriales con un pilar intermedio. La finalidad última de esta unidad es ampliar la perspectiva de tal modo que sirva al alumno para estar en disposición de plantear alternativas al cliente que permitan abaratar significativamente los costes totales de la obra.

Desarrollo Se realiza una comparativa de costes de material entre varias alternativas de diseño. ¿Qué diferencias existen entre empotrar y articular el pilar intermedio en la unión con la cumbrera? ¿Qué diferencia en coste material existe entre dos naves de idéntica superficie en planta, donde una de ellas dispone de pilar intermedio y la otra no? Para dar respuesta a estas cuestiones, se evalúan los costes considerando la cimentación y se presentan los resultados de manera gráfica. Cuando se realiza un ejercicio de comparación de costes entre distintas tipologías estructurales es necesario tener presente la cimentación, las placas de anclaje y las uniones, además del peso de la estructura principal. Por regla general, disminuir los costes de estructura requiere aumentar los costes en cimentación.

** VER VÍDEO EN LA VERSIÓN ONLINE. Video 2.4.1. Dos aguas con pilar intermedio


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UNIDAD 5: CÁLCULO DE UNIONES Introducción El objetivo de esta unidad se centra en el diseño de uniones en naves industriales. Se identificará cómo se efectúan las uniones estructurales, se comprobará la importancia que tiene la adecuada elección del tipo de unión, tanto en el comportamiento global de la estructura como en el aspecto económico, y se presentarán los principios básicos del diseño de uniones. Las uniones son partes importantes de cualquier estructura metálica. Las propiedades mecánicas de las uniones influyen mucho en la resistencia, rigidez y estabilidad de la estructura en su conjunto. El número de uniones y su complejidad tienen una influencia decisiva en el tiempo necesario para el análisis estático y el trazado de planos. La fabricación de uniones (corte, taladrado y soldadura de barras, cartelas, casquillos y rigidizadores) representa gran parte del trabajo del taller. La facilidad con que puedan efectuarse las uniones en la obra es un factor clave en el montaje. Por ello, la selección, el proyecto y el detalle de las uniones de la estructura de una nave tienen una influencia muy significativa en los costes de la misma. Se comentan las ventajas y desventajas entre utilizar uniones atornilladas o soldadas lo cual es de capital importancia en el diseño inicial de la nave. Una nave atornillada requiere de un planteamiento diferente y los planos de ejecución van a ser distintos en función de si las uniones son atornilladas o soldadas. El cálculo de uniones puede llegar a modificar el dimensionado inicial de los perfiles y, por lo tanto, su dimensionado es muy importante. Se comentarán los aspectos más relevantes para el diseño de uniones en naves industriales mediante los resultados obtenidos del programa Nuevo Metal 3D. se recomienda la consulta del Tema de Uniones del Bloque 1, tema en el que se abordaron los fundamentos del cálculo.

** VER VÍDEO EN LA VERSIÓN ONLINE. Video 2.5.1. Cálculo de uniones Ejercicio

Nave Nido (Alma Llena) Se propone el dimensionado de una nave nido con una luz de 30+30m y con los pórticos principales con perfiles de alma llena. Dimensionar la estructura principal, incluyendo los pórticos principales, pórticos hastiales, vigas de contraviento, perfiles de compresión y uniones tales que cumplan con todos los requerimientos expuestos y con el menor peso posible. Este ejercicio es de carácter opcional pero muy recomendable su realización. Se recomienda plantear todas las dudas que se puedan plantear en el transcurso de la actividad, así como las propuestas que se consideren oportunas en el correspondiente foro. Este ejercicio se resolverá entre todos los alumnos. No se dispondrá de una solución oficial por parte de Zigurat aunque las dudas que puedan surgir serán resueltas entre compañeros y en última instancia por los profesores. Estamos convencidos que entre todos podréis resolverlo conjuntamente. © ZIGURAT Consultoría de Formación Técnica S.L. 31/03/2009 (Ed.) – 25/05/2009 (Rev.1)

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PARTE 3:

NAVES EN CELOSÍA

UNIDAD 1:

CARACTERÍSTICAS COMUNES

Introducción En esta unidad se establecen las bases del dimensionado de las celosías que analizaremos a lo largo de las siguientes unidades. Recordamos de manera resumida los criterios del ICT (Instituto para la Construcción Tubular, www.ictubular.es) desarrollados en la unidad “Dintel en Celosía” del tema anterior. Estos criterios se aplican en el diseño de los pórticos principales de las naves que analizaremos a lo largo de las siguientes unidades. El estado de cargas, los criterios de dimensionado para el pórtico hastial, los materiales, la distancia entre pórticos, los límites de deformación, los criterios de estabilidad, etc. son los mismos que los utilizados en las naves analizadas en las unidades anteriores.

Criterios geométricos de la celosía Utilizamos la geometría tipo Warren sin montantes verticales con las siguientes características: • • •

Cordones paralelos. Diagonales de igual longitud y mismo ángulo de corte en sus extremos. Espaciamientos en las uniones entre diagonales (g>0) para evitar el doble corte en los extremos.

Figura 3.1.1 Espaciamiento en los nudos •

Cordones y diagonales con perfiles tubulares de sección rectangular o cuadrada (RHS).

•

El canto h de la celosía es la Longitud del pórtico entre 15.

•

El encuentro de la diagonal con el cordón θ>30º. Ángulos θ<30º dificultan la ejecución de la soldadura por falta de accesibilidad de la antorcha.


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•

La longitud del cordón proyectado horizontalmente se limita a 6000mm. Para longitudes mayores a 6000mm se debe de tener en cuenta la flexión debida a su peso propio.

•

Tipo de aceros y espesores: e≥8mm

Acero tipo S355 J2H

Diagonales: e ≤6mm

Acero tipo S275 J0H

o

Cordones:

o

•

Un mínimo de dos grupos o más de perfiles para las diagonales. Así, se consigue un mejor aprovechamiento de la sección y se disminuye el peso global de la celosía.

•

Limitaciones geométricas de los perfiles RHS HxBxe. o

H/e<37,2 para cordones y diagonales. Esta condición garantiza que la sección pueda alcanzar el límite elástico en la fibra más extrema y así evitar efectos de pandeo local.

o

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En la siguiente tabla se representan las limitaciones geométricas en función del espesor del perfil. Por ejemplo, con espesores de 6 y 8mm para cordones y diagonales respectivamente. Perfil

Tipo Acero

Espesor e (mm)

15e
H<37,2·e (mm)

Cordones Diagonales

S355 J2H S275 J0H

8 6

120 < B <200 No aplica

H < 297,6 H < 223,2

Tabla 3.1.1 Tabla ejemplo de limitacones geométricas de los perfiles •

El cordón inferior tiene mayor inercia en el plano perpendicular al pórtico tal y como se observa en el siguiente figura.

Figura 3.1.2 Cordón inferior


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•

El cordón superior tiene mayor inercia en el plano del pórtico tal y como se observa en la siguiente figura.

Figura 3.1.3 Cordón superior •

La determinación de la flecha de una celosía puede asimilarse de modo aproximado a la flecha que tendría una viga de alma llena con una inercia igual al 75% de la inercia de los cordones. La inercia de los cordones se calcula de la siguiente manera:

        0.75    

De manera aproximada y considerando el dintel biapoyado, el cálculo de la flecha de la celosía vendrá dado por la siguiente expresión, donde es la carga sin mayorar sobre el dintel.

 5      384  Para la deformación que presente el programa de cálculo, un último aspecto a tener

en cuenta es que, si la celosía presenta uniones con espaciamiento, la flecha calculada por cualquier método elástico ofrecerá resultados inferiores a los reales. Esta diferencia se puede cuantificar en un 10-15% Los criterios geométricos anteriores se resumen en la Figura 3.1.4


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Figura 3.1.4 Consideraciones predimensionado geométrico celosía Warren

Consideraciones de estabilidad A continuación, se determinan las longitudes de pandeo de los elementos que componen la celosía siguiendo las recomendaciones del ICT, Instituto para la Construcción Tubular.

Cordón superior •

Pandeo en el plano del pórtico. Las diagonales de la celosía constriñen el pandeo del cordón superior. La longitud de pandeo del cordón superior se considera como el 90% de la longitud teórica entre nudos. Lp = 0,9 x longitud entre nudos.

•

Pandeo perpendicular al pórtico Se considera que el conjunto correas y paneles actúan como un diafragma rígido. Así, se supone que el conjunto es capaz de transmitir los esfuerzos de compresión hacia los arriostramientos y consecuentemente se considera la longitud de pandeo como la longitud entre arriostramientos sin necesidad de ejecutar los perfiles longitudinales a lo largo de toda la cubierta. Lp = 0,9 x longitud entre arriostramientos = 0,9x5000 = 4500(mm)

Cordón inferior •

Pandeo en el plano del pórtico: De la misma manera que el cordón superior, consideramos que las diagonales constriñen el pandeo. Lp = 0,9 x longitud entre nudos.


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•


Pandeo perpendicular al pórtico: Por el contrario, el cordón inferior no dispone de ningún tipo de arriostramiento en el plano perpendicular al pórtico. Para ello, se tomarán dos medidas: o

Girar el cordón inferior 90º para que tenga mayor inercia en el sentido perpendicular al pórtico en el caso de tubos rectangulares.

o

En muchas ocasiones, la medida anterior no será suficiente y se requerirán arriostramientos adicionales que constriñan el pandeo en el plano perpendicular al pórtico. En general, la longitud eficaz de pandeo fuera del plano para el cordón inferior de un dintel en celosía resuelto con perfiles tubulares será igual a 0,9 por la distancia entre puntos arriostrados.

Diagonales Las longitudes de pandeo de las diagonales en el plano del pórtico y fuera de él se consideran como el 75% de la longitud teórica de la barra. Pandeo en el pórtico Pandeo perpendicular al pórtico

LP=0,75xlongitud diagonal L P=0,75xlongitud diagonal

La siguiente figura muestra un esquema a modo de resumen de los criterios de estabilidad explicados anteriormente.

Figura 3.1.5 Esquema de las consideraciones de estabilidad


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UNIDAD 2:

EJEMPLO DE NAVE EN CELOSÍA

Introducción Objetivo El propósito de esta unidad es abordar el cálculo de una nave en celosía.

Desarrollo Se empieza con la introducción de la geometría del pórtico principal, la introducción de cargas, etc. mediante el Generador de Pórticos. Posteriormente, se exporta a Nuevo Metal 3D donde se completa la estructura con el pórtico hastial, las vigas de contraviento y los perfiles de compresión. A partir de este punto, se determinan las consideraciones a pandeo de cada una de las barras de la estructura con lo que se está en disposición de efectuar un primer dimensionado de la estructura. A continuación, se determina la traslacionalidad de la estructura mediante el criterio del Alfa Crítico. Una vez conocida la traslacionalidad del pórtico ya se puede calcular el coeficiente de pandeo del pilar de pórtico tipo y dimensionar con exactitud el perfil requerido. Finalmente, se comentan los diagramas de envolventes en las barras de las celosías.

** VER VÍDEO EN LA VERSIÓN ONLINE. Video 3.2.1. Ejemplo de Nave en Celosía Ejercicio

Se propone efectuar el cálculo de este ejemplo, así como el dimensionamiento de la celosía, planteando las dudas, comentarios y exposición de criterios adoptados diferentes a los planteados en el correspondiente foro.


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UNIDAD 3: Análisis Celosía Introducción Objetivo Mediante un video se analizan varios aspectos relacionados con celosías para pórticos de naves industriales.

Desarrollo En esta ocasión, inicialmente se plantean diseños tales como las celosías Pratt y Howe y se comparan con la geometría Warren sin montantes. A partir de los esfuerzos obtenidos del modelado con el programa de cálculo se plantean las ventajas y desventajas de cada tipología. Se llega a la conclusión que la geometría Warren es una muy buena opción para las naves industriales objeto de este tema. Posteriormente, se realiza un análisis de traslacionalidad comparando dos alternativas: La primera consiste en articular la unión de la cabeza del pilar con la celosía. •

•

La segunda consiste en empotrar la cabeza del pilar con la celosía.

También se realiza una comparativa de una misma celosía considerando distinto número de diagonales. Mediante el análisis de los esfuerzos, se llega a la conclusión que la celosía con menor número de diagonales es la opción más económica. Se plantean las mediciones de naves con distintas luces y se comparan los resultados con las mediciones obtenidas de las naves con perfiles de alma llena con y sin cartelas. Se llega a la conclusión que la celosía es una mejor opción a medida que se aumenta la luz del pórtico. Finalmente, se realiza el cálculo de una nave con pilar intermedio. Se plantean cuestiones relativas a la viga de contraviento, a la traslacionalidad, coeficiente de pandeo, etc. Evidentemente, se llega a la conclusión que añadiendo un pilar intermedio disminuye el ratio de kilos de acero por metro cuadrado.

** VER VÍDEO EN LA VERSIÓN ONLINE. Video 3.3.1. Análisis celosía


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UNIDAD 3: Cálculo de uniones Introducción Objetivo Se exponen los principios para la comprobación de uniones soldadas de una celosía Warren.

Desarrollo En primer lugar se plantean las comprobaciones correspondientes a rangos de validez geométricos y posteriormente se explican las resistencias de cada uno de los modos de fallo de la unión. Seguidamente, se plantea un ejemplo de cálculo de unión que se resuelve de dos maneras: 1. Comprobación manual mediante la Hoja de Excel Uniones celosía y en base a la prEN 1993-1-8(2003). 2. Comprobación con el programa Cidjoint. Este programa gratuito se encuentra disponible en la página web del Instituto para la Construcción Tubular (http://www.ictubular.es/). Descarga de la hoja de cálculo: Diríjase a la sección RECURSOS del curso versión online y localice el fichero “Uniones celosía.xls”. •

La asociación internacional CIDECT (Comité International pour le Développement et l’Etude de la Construction Tubulaire) formada por empresas fabricantes y para el estudio y desarrollo de estructuras utilizando perfiles tubulares, concentró sus actividades predominantemente sobre varios aspectos de las uniones de perfiles tubulares. El resultado de la labor de investigación, junto con informaciones obtenidas de otras fuentes, constituye la base de las guías de diseño que han publicado. Además de las guías de diseño, han elaborado el programa Cidjoint en el que se han implementado los rangos de validez geométricos y el cálculo de las resistencias de cada uno de los modos de fallo para cada tipo de unión. En esta unidad comprobaremos cómo los contendidos del programa han sido incorporados en el Eurocódigo 3. El programa es una herramienta fácil de utilizar y muy útil para la comprobación/diseño de uniones tubulares. Es muy importante recalcar que, dependiendo de los esfuerzos y perfiles, las comprobaciones explicadas en esta unidad pueden ser de capital importancia y determinantes, incluso en la elección de los perfiles de la unión. Por lo tanto, es imprescindible tener en cuenta las comprobaciones de las uniones paralelamente con las de dimensionamiento de los perfiles. En celosías tipo Warren se plantea un cierto espaciamiento en la unión de diagonales con el cordón con lo que se simplifica el corte y soldeo de las diagonales. En otro tipo de celosías (por ejemplo, Warren con montantes) la geometría de la unión puede llegar a provocar excentricidades considerables que modifiquen los perfiles previstos.

** VER VÍDEO EN LA VERSIÓN ONLINE. Video 3.4.1. Cálculo de uniones © ZIGURAT Consultoría de Formación Técnica S.L. 31/03/2009 (Ed.) – 25/05/2009 (Rev.1)

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Ejercicio

Nave Nido (Celosía) Se propone efectuar el dimensionado de una nave nido con una luz de 30+30m y con los pórticos principales en celosía. Dimensionar la estructura principal incluyendo los pórticos principales, pórticos hastiales, vigas de contraviento y perfiles de compresión y uniones tales que cumplan con todos los requerimientos expuestos y con el menor peso posible. Este ejercicio es de carácter opcional pero muy recomendable su realización. Se recomienda plantear todas las dudas que se puedan plantear en el transcurso de la actividad, así como las propuestas que se consideren oportunas en el correspondiente foro.


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PARTE 4:

Naves Con Perfiles Armados

UNIDAD 1: Introducción Nave PVS Introducción El cálculo de naves industriales con perfiles de sección variable requiere de un taller especializado que tenga maquinaria automatizada donde poder cortar y soldar las planchas metálicas o bobinas que suministra el proveedor y así elaborar el perfil de sección variable. En esta unidad, y con el apoyo didáctico de un video, se desarrolla un ejemplo de cálculo de nave industrial con pórticos con perfiles de sección variable. Se realiza paso a paso y con la ayuda del Nuevo Metal 3D. Es en las próximas unidades donde se analizan naves industriales con perfiles armadas con distinta luz y se realizan comparativas entre otras tipologías.

Elaboración de los perfiles armados Elaboración de las alas de sección recta Las alas se suministran en platabandas de dimensiones estándares (Tabla 4.1.1). Dimensiones ALAS Ancho Espesor (mm) 200 8, 10, 12, 15, 20 250 10, 12, 15, 20 300 12, 15, 20, 25 350 15, 20, 25 400 20, 25, 30 Tabla 4.1.1 Dimensiones de las alas

Elaboración de las almas

Las almas, ya sean de sección recta o variable, se obtienen por oxicorte de la planchas metálicas suministradas por el proveedor. El proyecto será más económico si se minimizan las mermas producidas en el corte de las planchas para obtener las almas. Dicho esto, el proyectista determina el canto de las almas de los perfiles teniendo en cuenta el ancho de la plancha con la que se elaborará. Por lo tanto, los cantos máximos y mínimos de las almas de los perfiles armados quedan bastante acotados. En la siguiente tabla se indican las planchas con las cuales se elaboran las almas y que suministra el proveedor.

Ancho 1000 1250 1500 2000

Dimensiones de las planchas para fabricar ALMAS Espesor (mm) 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15 8, 10, 12, 15

Tabla 4.1.2 Planchas para la elaboración de las almas © ZIGURAT Consultoría de Formación Técnica S.L. 31/03/2009 (Ed.) – 25/05/2009 (Rev.1)

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A partir de estas planchas se eliminan las rebabas o cualquier imperfección que pudiera presentar de tal manera que el canto quede limpio. Normalmente, se suelen recortar 5mm en ambos lados de la plancha para, posteriormente, proceder al corte para la obtención de las almas. Alma de sección recta Si el corte es paralelo al canto de la plancha se obtienen almas de sección recta tal y como se indica en la Figura 4.1.1

Figura 4.1.1 Dimensiones planchas para almas de sección constante

Alma sección variable Si el corte es en diagonal, se obtienen almas de sección variable, tal y como se indica en la Figura 4.1.2. Nótese que en cada corte se obtienen dos almas. Limitamos el canto mínimo a 300 o 500mm con lo cual la otra dimensión queda determinada.


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Figura 4.1.2 Dimensiones planchas para almas de sección variable

Geometría del pórtico Con respecto al diseño del pórtico, el dintel se divide en tramos de longitud menor a 12m para que puedan ser transportados con un camión convencional. El número de tramos depende de la luz del pórtico y la posición de la unión entre tramos se intenta que sea en zonas cercanas al momento mínimo. Por ejemplo, en un pórtico a dos aguas sin pilar intermedio, el momento mínimo se encuentra en un L/5 aproximadamente. Consecuentemente, no todos los tramos tendrán la misma longitud. A continuación, se indica la geometría más apropiada para pórticos a dos aguas sin pilar intermedio y con luces comprendidas entre 25 y 45 metros. En cada pórtico se indican de manera aproximada los cantos de almas.


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Luz 25m

Figura 4.1.3 Pórtico con dintel dos tramos


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Figura 4.1.4 Pórtico con dintel tres tramos


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Luz 30m

Figura 4.1.5 Pórtico con dintel cuatro tramos


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Luz 35m

Figura 4.1.6 Pórtico con dintel cinco tramos


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Luz 40m

Figura 4.1.7 Pórtico con dintel cuatro tramos


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Luz 45m

Figura 4.1.8 Pórtico con dintel cinco tramos

** VER VÍDEO EN LA VERSIÓN ONLINE. Video 4.1.1. Introducción Nave PVS


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DISEÑO DE NAVES INDUSTRIALES

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