REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARINO” EXTENSIÓN BARINAS
Proyecto de Acero y Madera
PROPUESTA DE UN GALPÓN INDUSTRIAL
Autor Milangella Traviezo C.I: 19355119
Agosto 2014
INTRODUCCIÓN
Una estructura industrial es un “conjunto de elementos resistentes capaces de mantener sus formas y cualidades a lo largo del tiempo, bajo la acción de las cargas y agentes exteriores a los que son sometido”.
Los materiales empleados en su construcción suelen ser metales y/u hormigón, pudiéndose recurrir al empleo de materiales compuestos para determinados elementos estructurales o para aplicaciones especiales.
Las construcciones ejecutadas con estructuras metálicas permiten luces mayores, especialmente interesantes para locales comerciales, industrias, donde se requieran edificios sin pilares intermedios, así como para edificios de grandes alturas, sin pilares excesivamente gruesos, evitando ocupar espacios importantes. Las estructuras es de acero son conformadas mediante uniones soldadas o empernadas.
Así mismo el Proyecto como consecuencia del desarrollo llevado a cabo en la asignatura “Proyectos de Acero y Madera” de la carrera de Ingeniería Civil del IUPSM, el cual en este caso se considera promotor la obra que llevará el título de "Construcción de un galpón para un taller mecánico en la ciudad de San Felipe Estado Yaracuy ". Donde el mismo fue diseñado utilizar un software de diseño estructural y considerando las norma ecuatoriana de la construcción.
DISEÑO DEL GALPON
PROCEDIMIENTO
El procedimiento que se sigue en el diseño estructural consiste en los siguientes pasos: Selección del tipo, dimensiones y distribución de la estructura. Determinación de las cargas que actúan sobre ella. Determinación de los momentos y fuerzas internas en los componentes estructurales. Selección del material y dimensionamiento de los miembros secundarios y conexiones para lograr seguridad y economía Revisión del comportamiento de la estructura en servicio. Revisión final.
DIMENSIONES
Las dimensiones del galpón son de 25 m de ancho 12 m de alto y 30 m de luz, estas dimensiones se han tomado ya que se tiene un espacio de 750 m2 para la construcción del mismo.
VISTA FRONTAL
VISTA LATERAL
VISTA ESQUINERA
VISTA SUPERIOR
CONSIDERACIONES PARA LA COSTRUCCION DEL GALPON La Carga puntual en los nudos inferiores de la celosía de cubierta = 8.9 𝑘𝑁/𝑚2
La velocidad del viento = 56 mph
Las cargas vivas que excedan 4,8 kN/m2 no pueden ser reducidas, excepto cuando el elemento soporte dos o más pisos en que se podrá reducir hasta en un 20 %.
Se considerara los tres primeros combos de carga de la tabla # Como el diseño está orientado para una posible construcción en la cuidad de Machala, la cimentación estará diseñada para suelos arcillosos.
PERFILES UTILIZADOS EN EL DISEÑO DEL GALPON
PESO TOTAL DE LA ESTRUCTURA
DETERMINACION DE CARGAS Carga viva
Tabla 1. Cargas vivas mínimas para cubiertas en Kg/m²1 De la tabla se determina que corresponde a una pendiente menor 1:3 por lo que la carga viva es: 𝑊𝐶𝑉=60 𝑘𝑔/𝑚2
Carga muerta La estructura va a ser construida con perfiles IPE 500 para columnas y vigas Para perfil estructural se selecciona un IPE de 500
Para perfil estructural canal tipo u de 50x25x3 mm
Determinación del peso propio de la estructura: - Peso del perfil IPE 500 = 90.70 [Kg/m]
DISPOSICION DE LOS PERFILES IPE Y COLOCACION DEL TECHO
Perfil IPE de 12.65 [m] Q1= 42.20 [Kg/m] Peso del canal “U” de 100x50x3 mm= 4.48 [Kg/m] 100 correas espaciadas a 1.25 m: 100x (12.72/2)=636[Kg] Q2= 636[Kg]/(2*6)[m]=53[Kg/m] Peso de la cubierta metálica: 5.75 [Kg/m2]
12.65x7x5.75=509.16 [Kg] Q3=509.16/(12.65x2+6x2)=13.65[Kg/m] 𝑊 M = Q1+Q2+Q3= 78.85 [Kg/m2]
Carga de viento Se asume una velocidad del viento promedio de 27 Km / h P=q x G x Cp Nomenclatura:
para presión externa Además se considera la siguiente ecuación para el cálculo de la presión de la Velocidad Q= K* (IV) 2 Donde: Kz = coeficiente de exposición a la velocidad que tiene en cuenta la variación de la velocidad con la altura y con la aspereza del terreno I = coeficiente de importancia asociado en el tipo de ocupación de acuerdo con la siguiente tabla:
Coeficiente de importancia Asumimos la Exposición C.- para terreno plano, campo abierto o terreno expuesto con obstrucciones de menos de 10 metros de altura. Para una exposición de tipo C, se calcula el coeficiente Kz de acuerdo con la siguiente ecuación
Dónde: z = altura del edificio en pies. El coeficiente de respuesta de ráfaga G, se calcula a partir de la siguiente ecuación:
Dónde: D = 0.07 para exposición C. n = 1/7 para exposición C. h = altura del edificio en pies. De las ecuaciones mencionadas, se procede al cálculo de las cargas de viento: Coeficiente de importancia de ocupación, I = 1 Coeficiente de exposición, K:
Coeficiente de presión externa
La presión del viento se cuantifica como sigue: Q= 0.0026* (1*50)2 = 6.5 lb/ft2 Coeficiente de presión externa
Cp=-0.9
Carga de Sísmica Para establecer la carga de sismo se considera la siguiente ecuación: V = Z * I *K *C * S *W
Dónde: V = Fuerza lateral sísmica mínima Z = Es el coeficiente numérico de situación geográfica (tabla 4). K = es el coeficiente numérico de geometría estructural,
Coeficiente numérico de geometría estructural. Reemplazando valores en las ecuaciones se determina la carga de sismo: Z = 0,75 (se calcula para zona 3) K=1 Para efectos de diseño, C = 0,12 I = 1 Factor de importancia de ocupación
S = 1 Coeficiente de perfil del suelo Roca, material con una velocidad de onda que sobre pasa los 2500 ft/seg, o depósitos duros y estables de arena, grava, o arcillas duras por encima de roca a una profundidad menor que 200 ft. W= 78.85 Kg/m2 * 750 m2 = 59137.5Kg V = 59137.5 * 0,75 * 1 * 0,12 * 1 * 1 V = 5322.37 Kg
DISEÑO DE LA SOLDADURA
La ubicación y tipo de los empalmes soldados y otras soldaduras requeridas en las barras de refuerzo deben estar indicados en los planos de diseño o en las especificaciones del proyecto. Las normas INEN para barras de refuerzo, excepto INEN 2167:2003, deben ser complementadas para requerir un informe de las propiedades necesarias del material para cumplir con los requisitos de AWS D 1.4.
CARGAS EN LA ESTRUCTURA
ANALISIS DE LA SOLDADURA EN LAS VIGAS IPE 500
𝟒𝑷=𝟑𝟎𝟖.𝟗𝟔 𝒌𝒈𝒇𝒎⁄ (𝟐𝟓 𝒎) 𝑷=𝟏𝟗𝟑𝟏.𝟏 𝒌𝒈𝒇 𝑷=𝟏.𝟗𝟑 𝑻 𝑷𝟐⁄=𝟎.𝟗𝟕 𝑻
Σ𝑴𝟏=𝟎 (𝟐𝟓) 𝑽𝟐=𝟐 (𝟏𝟎)+𝟕.𝟕 (𝟏𝟐.𝟓) 𝑽𝟐=𝟒.𝟔𝟓 𝑻
Σ𝑭 =𝟎 𝒚
𝑽𝟏+𝑽𝟐=𝒒 𝑳 𝑽𝟏=[𝟎.𝟑𝟎𝟖 𝑻𝒎⁄ (𝟐𝟓 𝒎)]−𝟒.𝟔𝟓 𝑻 𝑽𝟏=𝟑.𝟎𝟓 𝑻
Σ𝑭𝒚=𝟎 𝑽𝟏=𝑷𝟐⁄+𝑭𝟏𝐜𝐨𝐬𝜽 𝟑.𝟎𝟓 𝑻=𝟎.𝟗𝟕 𝑻+𝑭𝟏𝐬𝐢𝐧𝟗.𝟏 𝑭𝟏=𝟏𝟑.𝟐 𝑻
Σ𝑭𝒙=𝟎 𝑭𝟐− 𝑭𝟏𝐜𝐨𝐬𝜽=𝟎 𝑭𝟐=𝟏𝟑.𝟐 𝑻𝐜𝐨𝐬𝟗.𝟏 𝑭𝟐=𝟏𝟐.𝟗 𝑻 Análisis de la soldadura
Σ𝑭𝒙=𝟎 𝑭𝟐= 𝑭𝑨+ 𝑭𝑩 Σ𝑴𝒎𝒏=𝟎
𝑭𝑩= 𝟏𝟐.𝟗𝑻−𝟗.𝟑𝟒 𝑻 𝑭𝑩=𝟑.𝟓𝟔 𝑻 Calculo del área
SE ASUME UN 𝒂𝒔𝒐𝒍𝒅=𝟏𝟒⁄𝒊𝒏 𝒈=(𝟎.𝟐𝟓)𝐜𝐨𝐬(𝟒𝟓) 𝒈=𝟎.𝟏𝟕𝟔 𝒊𝒏 𝑨𝒄𝟏= 𝑳𝑺𝟏× 𝒈
ANALISIS DE LA SOLDADURA EN LAS CORREAS Σ𝑭𝒙=𝟎 𝑭𝑪𝑶𝑹𝑹𝑬𝑨= 𝑭𝑺𝟑+ 𝑭𝑺𝟒 Σ𝑴𝒎𝒏=𝟎
𝑭𝑺𝟑=𝟑.𝟒 𝑻 𝑭𝑺𝟒=𝟒.𝟔𝟑 𝑻−𝟑.𝟒 𝑻 𝑭𝑺𝟒=𝟏.𝟐𝟓 𝑻
Calculo del área
SE ASUME UN 𝒂𝒔𝒐𝒍𝒅=𝟏𝟒⁄𝒊𝒏 𝒈=(𝟎.𝟐𝟓)𝐜𝐨𝐬(𝟒𝟓) 𝒈=𝟎.𝟏𝟕𝟔 𝒊𝒏 𝑨𝒄𝟏= 𝑳𝑺𝟏× 𝒈
ANALISIS DE LA SOLDADURA EN LAS RIOSTRAS
RESULTADOS DE LA SOLDADURA
Longitud total de soldadura
RESULTADOS DEL SAP 2000
DISEÑO DE COLUMNAS Para el diseño de las columnas del galpón se ha tomado en consideración los valores obtenidos en el software SAP 2000, tomando la columna 4-5 como crítica.
CALCULOS PARA LA COLUMNA 4 – 5
Determinación del factor k de la columna:
𝐺5=1,0 Unión rígida a la cimentación
Nomograma
Según el nomograma el valor de 𝑘 es aproximadamente 0,53 𝑘=0,53 Determinación de 𝑟𝑦−𝑦:
Del manual de la AISC con el valor de 𝑟𝑦−𝑦≥3,01 𝑖𝑛 se busca un perfil con un valor cercano: Se escoge un perfil del manual de la AISC tipo W, a continuación se detallan las características más importantes del perfil para el diseño de la columna. W12x96
Con 𝜆𝑚𝑎𝑥=194.3 en la tabla 3-36 del manual de la AISC, para un acero A-36 se obtiene:
CIMENTACION
Sumatoria de Fuerzas en las cimentaciones: Σ𝐹𝑉=0 𝑃=𝐹1+𝐹2
𝐹1=𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑛𝑐𝑜 𝐹2=𝑅𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑑𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑛𝑐𝑙𝑎𝑗𝑒 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑜𝑟𝑚𝑖𝑔ó𝑛
DIAMETRO DEL PERNO
En el diseño se consideraran 4 pernos de anclaje 𝑀𝑥=2×𝑃𝑜×𝑑𝑜 Tomando pernos ISO 8.8 que tienen un 𝑆𝑦=64 𝑘𝑔𝑚𝑚2⁄ y un 𝑆𝑢𝑡=80 𝑘𝑔𝑚𝑚2⁄ de varilla corrugada A-42 un 𝑆𝑦=4200 𝑘𝑔𝑐𝑚2⁄
Carga aplicada al perno:
Diámetro mínimo del perno:
Por lo tanto no cumple Por facilidad de compra se toma el siguiente valor:
Por lo tanto se escoge un perno con el siguiente diámetro
Determinación dela longitud efectiva
Dónde: 𝐹´𝑐=𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 𝑎𝑙 𝑜𝑟𝑚𝑖𝑔𝑜𝑛 𝑎=55 𝑚𝑚 𝑎𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜 𝐹´𝐻=𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑑𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐿=𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜
Longitud total del perno
Longitud del ala del perno 𝑎=5%×90 𝑎=5%×90=4,5 𝑐𝑚
DISEÑO DE LA PLACA BASE
Se va asumir que la placa será de 90 𝑐𝑚×90 𝑐𝑚
𝐹𝑆=12.4 >4 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜 𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑠𝑖 𝑝𝑎𝑠𝑎 Determinación del espesor de la placa
ANALISIS DE LOS COSTOS DE LA CONSTRUCCION DEL GALPON Rubros a considerar en la construcción del galón
CONCLUSIONES
Las cargas debidas a las condiciones de sitio como viento y sismo, se consideran para el estado de cargas más crítico al que va a estar sometido el galpón. Las consideraciones de diseño no necesariamente implican que la estructura siempre va a estar sometida a esas cargas. El programa SAP permite determinar tanto deformaciones como tensiones y esfuerzos en los elementos que conforman el modelo de la estructura así como los diagramas de esfuerzo cortante, momento, que nos facilitan los cálculos para cimentación como de las columnas. En el diseño de estructuras metálicas se tiene muchas opciones de diseño, especialmente en lo que se refiere a cerchas, la habilidad del diseñador esta en encontrar la opción más económica y funcional que resista las cargas aplicadas en ella. Para este proyecto se ha considerado una estructura de tipo mixta, es decir, que se puede encontrar conexiones soldadas. La utilización de conexiones soldadas es para proporcionar rigidez a la estructura.
