Estructura Metalica.pdf

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA AMÉRICA (UNITA) FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA METÁLICA PARA EL BAR DE LA FACULTAD DE MECÁNICA

Proyecto profesional de grado previo a la obtención del Título de Ingeniero Mecánico: Especialidad Mecánica Industrial

Autor:

Wilson Geovanny Castillo Benítez

Asesor:

Ing. Patricio Riofrío

Quito, Marzo del 2006

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA AMÉRICA (UNITA) FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA METÁLICA PARA EL BAR DE LA FACULTAD DE MECÁNICA

Proyecto profesional de grado previo a la obtención del Título de Ingeniero Mecánico: Especialidad Mecánica Industrial

Autor:

Wilson Geovanny Castillo Benítez

Asesor:

Ing. Patricio Riofrío

Quito, Marzo del 2006

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente Proyecto Profesional de Grado titulado “ESTRUCTURA METÁLICA PARA EL BAR DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA”, es un trabajo realizado en forma íntegra y detallada por el Egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Universidad Tecnológica América, América, el señor Geovanny Castillo Benítez, de acuerdo a mi direccionamiento.

Quito, 17 de Enero de 2006

Ing. Mec. Patricio Riofrío

L:P: 04-17841 CIMEPI Profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica Director del Proyecto

Wilson Wil son

DEDICATORIA A mi Padre cuyo ejemplo ha sido su mejor enseñanza. A mi Madre que con su ayuda espiritual me inspiro a seguir a delante. A mi Esposa e Hija por su cariño y apoyo.

AGRADECIMIENTO A todas las personas que han contribuido a mi formación profesional, y en forma especial al Ing. Patricio Riofrío por su desinteresada ayuda en la elaboración de este trabajo.

ÍNDICE

CAPÍTULO I

ESTRUCTURAS METÁLICAS

1.1

Introducción……………………………………………………………………...1

1.2

Proceso de Diseño……………………………………………………………. 1

1.2.1

Planeación Funcional………………………………………………………… 2

1.2.2

Arreglo Estructural…………………………………………………………….. 5 Replantillo……………………………………………………………………… 6

Cimentación (Plintos)…………………………………..…………………….. 7 Anclaje de Poste………………………………………………………………. 8 1.2.3

Análisis Estructural……………………………………………………………. 9

1.2.4

Diseño de los Miembros y Elementos…………………………………….. 10

1.3

El Acero Estructural…………………………………………………………. 10

a)

Ventajas del Acero Estructural…………………………………………….. 13

b)

Desventajas del Acero Estructural………………………………………… 15

1.3.1

Perfiles Estructurales……………………………………………………….. 16

1.3.1.1 Perfiles Laminados en Caliente……………………………………………. 16

VI

1.3.1.2 Perfiles Laminados en Frío…………………………………………………. 18

1.3.1.3 Tipos de Perfiles a Utilizar………………………………………………….. 20 a)

Perfil “G”................................................................................................ 21

b)

Perfil “L”……………………………………………………………………… 21

c)

Perfil “C”……………………………………………………………………… 21

d)

Perfil “I”………………………………………………………………………. 22

1.4

Cubiertas……………………………………………………………………... 22

1.4.1

Elementos de una Cubierta………………………………………………… 23

1.4.2

Techos………………………………………………………………………... 25

a)

Asbesto – Cemento…………………………………………………………. 25

b)

Panel de Acero………………………………………………………………. 26

1.4.3

Estructuras para Cubiertas…………………………………………………. 27

1.4.3 1 Columnas y Armaduras…………………………………………………….. 27 1.4.3.2 Columnas y Vigas…………………………………………………………... 29 a)

Columnas…………………………………………………………………….. 29

c)

Vigas…………………………………………………………………………. 29

1.4.3.3

Marcos Rígidos……………………………………………………………… 30

1.5

Principales Tipos de Estructuras Utilizadas……………………………… 32

a)

Tipo I…………………………………………………………………………. 32

b)

Tipo II………………………………………………………………………… 33

c)

Tipo III………………………………………………………………………... 34

d)

Tipo IV……………………………………………………………………….. 35 VII

Análisis de Alternativas…………………………………………………….. 36

1.6

a)

Alternativa I.......................................................................................... 37

b)

Alternativa II…………………………………………………………………. 37

c)

Alternativa III………………………………………………………………… 38

1.7

Selección del Tipo de Estructu ra para el Proyecto……………………… 38

1.7.1

Criterio Económico………………………………………………………….. 40

1.7.2

Criterio Estético……………………………………………………………… 42

1.7.3

Criterio del Cliente…………………………………………………………… 42

CAPÍTULO II

ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA

2.1

Introducción…………………………………………………………………..44

2.2

Análisis y diseño preliminar…………………………………………………45

2.2.1

Cargas sobre la estructura………………………………………………….46

2.2.1.1

Cargas muertas………………………………………………………………46 Peso de la c ubierta………………………………………………………….46

VIII

Peso del pórtico……………………………………………………………..48 Peso de las correas…………………………………………………………49 Peso de instalaciones ………………………………………………………50

2.2.1.2

Cargas vivas…………………………………………………………………51 Carga mínima viva ………………………………………………………….51 Cargas de viento……………………………………………………………52 Carga de granizo……………………………………………………………54 Carga de ceniza……………………………………………………………..54 Carga sísmica………………………………………………..……………...55

2.2.2

Cálculo de reacciones, momentos, axiales y cortantes …………… 57 Perfil utilizado ……………………………………………………………….. 59

2.2.2.1

Carga muerta vertical uniformemente repartida ………………………… 61 Carga muerta –análisis…………………………………………………….. 62

2.2.2.2

Carga viva vertical uniformemente repartida ……………………………64 Carga viva – análisis…………………………………………………………65

2.2.2.3

Carga horizontal de viento uniformemente repartida …………………….67 Carga de viento - análisis………………………………………………….68

2.2.2.4

Combinación de cargas ……………………………………………………..70 Combinación de cargas – análisis…………………………………………71

2.2.3

Diseño preliminar de la columna y viga ……………………………………73

IX

2.2.3.1

Columna …………………….………………………………………………..73

2.2.3.2

Viga……….……….………………………………………………………….78

2.3

Análisis y diseño definitivo…………………………………………………..81

2.3.1

Calculo del momento de inerc ia medio de la viga………………………. 84

2.3.2

Cargas…………………………………………………………………………85

1.3.3

Reacciones, cortantes, axiales y momentos…………………………….87

2.3.3.1

Análisis de cargas vertical del pórtico. Carga muerta…………………..……………………………………………..88

2.3.3.2

Análisis de cargas vertical del pórtico. Carga Viva…………………………………………………………………….90

2.3.3.3

Análisis de carga horizontal en la cubierta Carga de viento ……………………………………………………………...92

2.3.3.4

Análisis de combinación de cargas Combinación de cargas …………………………………………………….94

2.3.4

Diseño del pórtico……………………………………………………………96

2.3.4.1

Diseño de la columna………………………………………………..………97

2.3.4.2

Longitudes no arriostradas………………………………………….……..98

2.3.4.3

Longitudes efectivas ………………………………………………………. 98

2.3.4.4

Esfuerzos permisibles a compresión…………………………………….. 99 X

2.3.4.5

Esfuerzos permisibles a flexión fb……………………………………...105

2.3.4.6

Diseño a flexión y compresión del patín ………………………………...109

2.3.4.7

Esfuerzos permisibles al cortante en el alma fv ……………………...113

2.3.5

Diseño de la viga del pórtico……………………………………………...117

2.3.5.1

Longitudes no arriostradas para la viga………………………………...118

2.3.5.2

Esfuerzos permisibles a compresión…………………………………….119

2.3.5.3

Esfuerzo permisible a flexión fb …………………………………………121

2.3.5.4

Diseño a flexión – compresión del patín………………………………..123

2.3.5.5

Esfuerzos permisibles al cortante en el alma fv……………………...126

2.3.6

Diseño de los atiesadores de apoyo…………………………………….129

2.3.7

Diseño de la placa base de las columnas………………………………131

2.3.8

Diseño de largueros ……………………………………………………….136

2.3.8.1

Determinación de cargas ………………………………………………….137

2.3.9

Uniones soldadas ………………………………………………………….140

2.3.9.1

Columna a placa base …………………………………………………….140

2.3.9.2

Unión de la placa a las varillas de anclaje ………………………………142

2.3.9.3

Juntas patín – patín……………………………………………………… 145

2.3.9.4

Juntas alma - alma……………………………………………………….147

2.3.9.5

Juntas patín - alma………………………………………………………..148

XI

CAPÍTULO III

FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LAESTRUCTURA

3.1

Introducción……………………………………………………………………151

3.2

Flujo-grama general de la fabricación y montaje de la estructura………152

3.3

Fabricación…………………………………………………………………….154

3.3.1

Trazado………………………………………………………………………...154

3.3.2

Proceso de corte……………………………………………………………..155

3.3.3

Armado…………………………………………………………………………156

3.3.4

Pintura………………………………………………………………………….157

3.4

Montaje…………………………………………………………………………158

Conclusiones……………………………………………………………..……………..160 Recomendaciones…………………………………………………………...…………162 Bibliografía………………………………………………………………………………164

XII

ÍNDICE DE TABLAS

CAPÍTULO I

Tabla 1.2 Aceros para Propósitos Estructurales………………………………… 12 Tabla 1.2 Normas de Fabricación para Perfiles Estructurales…………………. 12 Tabla 1.3 Costos de Estructuras…………………………………………………… 41 Tabla 1.4 Análisis de Alternativas…………………………………………………. 43

CAPÍTULO II

Tabla 2.1

Total de cargas muertas………………………………………………...51

Tabla 2.2

Total de cargas vivas..…………………………………………………. 56

Tabla 2.3

Valores de x y z …………………………………………………….. 58

Tabla 2.4

Dimensiones y propiedades del perfil………………………………... 59

Tabla 2.5

Valores con carga muerta……………………………………………... 63

Tabla 2.6

Valores con carga viva………………………………………………… 66

Tabla 2.7

Valores con carga de viento…………………………………………... 69

Tabla 2.8

Valores para combinación de cargas………………………………… 72

Tabla 2.9

Dimensiones y propiedades del diseño definitivo………………….. 82

XIII

Tabla 2.10 Dimensiones y propiedades de la viga media sección G – G……...85 Tabla 2.11

Valores con carga muerta…………………………………………….. 89

Tabla 2.12 Valores con carga viva………………………………………………... 91 Tabla 2.13

Valores con carga de viento………………………………………….. 93

Tabla 2.14

Valores para combinación de cargas………………………………. 95

Tabla 2.15

Cargas, dimensiones y propiedades de la columna………………. 97

Tabla 2.16

Cargas, dimensiones y propiedades de la viga………………...… 118

Tabla 2.17

Relación de esbeltez ….………………………………………………120

Tabla 2.18

Valores de esfuerzos per misibles a compresión………………… 120

Tabla 2.19

Valores

Tabla 2.20

Relación fa/fa………………………………………………………. 124

Tabla 2.21

Relación fb/fb……………………………………………………… 125

Tabla 2.22

Usando la relación fa /fa + fb/fb < 1……………………………… 125

Tabla 2.23

Valores de esfuerzos permisibles al cortante fv ………………..127

Tabla 2.24

Valores del cortante promedio

Tabla 2.25

(d/t)…………………………………………………….... 123

fv

<

fv…………………... 127

fv < fv……………………………………………………………… 128

XIV

ÍNDICE DE FIGURAS

CAPÍTULO I

Fig. 1.1 Distribución de Área………………………………………………………… 4 Fig. 1.2 Replantillo…………………………………………………………………….. 6 Fig. 1.3 Cimentación (Plinto)………………………………………………………… 7 Fig. 1.4 Anclaje de Poste…………………………………………………………….. 8 Fig. 1.5 Perfiles Laminados en Caliente…………………………………………... 18 Fig. 1.6 Perfiles Laminados en Frío……………………………………………….. 20 Fig. 1.7 Elementos de Cubierta……………………………………………………. 23 Fig. 1.8 Tipos de Techos (Asbesto - Cemento)………………………………….. 25 Fig. 1.9 Tipos de Techos (Acero Inoxidable)……………………………………... 26 Fig. 1.10 Tipos de Armadura s……………………………………………………….. 28 Fig. 1.11 Tipos de Vigas y Columnas…………………………………………….. 30 Fig. 1.12 Tipos de Marcos Rígidos………………………………………………….. 31 Fig. 1.13 Estructura en Celosía a dos aguas y parabólica……………………….. 33 Fig. 1.14 Estructura en Alma llena a dos aguas y parabólica ……………………. 34 Fig. 1.15 Estructura con Perfiles Armados a dos aguas………………………….. 35 Fig. 1.16 Estructura en Celosía con Tubo Estructural Redondo Parabólico…… 35 Fig. 1.17 Estructura de Alma llena de una sola caída…………………………….. 36 Fig. 1.18 Estructura Parabólica con tubo redondo………………………………… 39 Fig. 1.19 Escala de valoración de alternativas……………..……………………… 43

XV

CAPÍTULO

II

Fig. 2.1

Nomenclatura del Pórtico………………………………………………….45

Fig. 2.2

Distribución de secciones………………………………………………….58

Fig. 2.3

Nomenclatura para la sección del pórtico en Prediseño……………….5 9

Fig. 2.4

Esquema del pórtico mediante el perfil I………………………………...60

Fig. 2.5

Carga Muerta……………………………………………………………….61

Fig. 2.6

Diagrama de Carga Axial………………………………………………… 62

Fig. 2.7 Diagrama de Fuerzas Cortantes…………………………………………. 62 Fig. 2.8

Diagrama de Momentos………………………………………………….. 63

Fig. 2.9

Carga Viva……………………………………...…………………………..64

Fig. 2.10 Diagrama de Carga Axial…………………………………………………6 5 Fig. 2.11

Diagrama de Fuerzas Cortantes…………………………………………65

Fig. 2.12 Diagrama de Momentos………………………………………………….66 Fig. 2.13

Carga de Viento……………………………………………………………67

Fig. 2.14

Diagrama de Carga Axial…………………………………………………68

Fig. 2.15

Diagrama de Fuerzas Cortantes…………………………………………68

Fig. 2.16

Diagrama de Momentos…………………………………………………..69

Fig. 2.17 Combinación de Cargas…………………………………………………..70 Fig. 2.18

Diagrama de Cargas Axiales……………………………………………..71

Fig. 2.19

Diagrama de Fu erzas Cortantes…………………………………………71

Fig. 2.20


XVI

Fig. 2.21

Sección para el pórtico……………………………..……………………..83

Fig. 2.22

Dimensiones de l a estructura.……………………………………………83

Fig. 2.23 Referencia para el momento de i nercia medio de la viga……………..84 Fig. 2.24

Reacción de Carga Muerta……………………………………………….87

Fig. 2.25

Reacción de Carga Viva…………………………………………………..87

Fig. 2.26

Reacción de Car ga de Viento…………………………………………….87

Fig. 2.27


Fig. 2.28

Diagrama de Fuerza Cor tante……………………………………………88

Fig. 2.29


Fig. 2.30


Fig. 2.31

Diagrama de Fu erza Cortante……………………………………………90

Fig. 2.32


Fig. 2.33


Fig. 2.34

Diagrama de Fuerza Cortante……………………………………………92

Fig. 2.35


Fig. 2.36


Fig. 2.37

Diagrama de Esfuerzo Cortante ………………………………………….94

Fig. 2.38


Fig. 2.39

Columna metálica………………………………………………………….97

Fig. 2.40

Viga metálica……………………………………………………………...117

Fig. 2.41

Posición y dimensión de los atiesadores………………………………129

Fig. 2.42

Nomenclatura de la placa base …………………………………………131

Fig. 2.43

Esquema del larguero ……………………………………………………136

XVII

Fig. 2.44

Esquema del diagrama de momento para una viga continúa sobre tres apoyos……………………………………………………………………..138

Fig. 2.45

Ubicación del perfil en la placa base y varillas ………………………..144

Fig. 2.46

Esquema de la soldadura de las varillas a la placa base ……………144

Fig. 2.47

Esquema de la soldadura de las juntas patín – patín………………..145

Fig. 2.48

Junta alma – alma……………………………………………………….147

Fig. 2.49

Junta patín – alma ……………………………………………………….148

CAPÍTULO

III

Fig. 3.1 Junta patín – alma ……………………………………………………….154

XVIII

CAPÍTULO I

ESTRUCTURAS METÁLICAS

1.1

INTRODUCCIÓN

La Universidad Tecnológica América está ubicada en el sector de San Blas en la calle Oriente 536 y Guayaquil, se requiere la construcción de una estructura metálica para el bar de la Facultad de Ingeniería Mecánica, el mismo que ya dispone de un área determinada para el proyecto.

En este capítulo se trata

brevemente aspectos básicos para el proyecto.

Se revisarán los pasos a seguir para llegar al diseño satisfactorio, luego se trata el acero como material estructural, posteriormente los tipos de estructuras que se usan para este tipo de construcciones y finalmente se decidirá que tipo de estructura se elige para la construcción.

1.2

PROCESO DE DISEÑO

El proceso de diseño estructural requiere la aplicación del criterio del Ingeniero para producir un sistema estructural que satisfaga de manera adecuada las necesidades del propietario o usuario.

El diseño es un proceso que parte de una idea y llega a la especificación de la estructura de manera que logre logr e los propósitos para los que ha sido elaborada. El proceso de diseño inicia con una planificación funcional para lograr después un arreglo estructural el cual deberá pasar por un análisis estructural y culminará con el diseño de los l os diferentes miembros y elementos.

1.2.1

PLANEACIÓN FUNCIONAL

El propósito que se debe tener en cuenta en la realización de una construcción, sea ésta, una estructura metálica o de hormigón armado, es la de disponer correcta y adecuadamente todos los espacios internos y externos de forma que se aproveche el mayor porcentaje del área disponible para el cumplimiento de las actividades a la que estará destinada la construcción.

La funcionalidad debe estar enfocada a las actividades ha realizarse por los clientes para su comodidad y satisfacción. Este aspecto incluye el diseño estético que va a tener toda infraestructura en su conjunto y parámetros de una iluminación aceptable y un ambiente confortable.

En el caso del presente proyecto la construcción será destinada al bar, el mismo que estará situado en el patio posterior de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica América, en su exterior no está constituido por paredes, puertas, ventanas y la cubierta; mientras que en el interior como se trata de un bar se necesita los siguientes espacios: cocina,

baño y comedor. Además de los espacios se necesita necesit a que tenga un ambiente confortable para la comodidad y satisfacción del usuario.

El espacio que se tiene es de 36 m 2 se dispondrá aproximadamente de 11.60m2 para la cocina que esta ubicado en la parte posterior izquierda del bar, a su derecha se ubicará un baño esquinero con una área aproximada de 2.85m2 y el comedor es el espacio restante del bar que está ubicado en la parte frontal que es de 21.55m 2 es así que se logra l ogra el área total para el bar.

El bar consta de los ambientes: la cocina que está conformado por refriger ador, cocina, horno, lava platos, mesón, etc; el baño se constituye con el inodoro, lava manos, etc, y el el comedor esta constituido constituido por mesas, mesas, sillas, etc.

Para lograr un aspecto aspecto confortable confortable para la comodidad comodidad

y satisfacción satisfacción del

usuario, el bar constará de una iluminación y ventilación natural, logrando un confort en su interior. Para obtener una adecuada ventilación natural se requiere al menos de dos aberturas efectivas, las más comunes son: aberturas en paredes adyacentes y aberturas en paredes opuestas, para favorecer la circulación del aire en los ambientes interiores. Y para obtener una iluminación natural adecuada, depende de las proporciones del espacio interior y del número, tamaño, ubicación y tipo de aberturas por donde penetra la luz solar que pueden ser por medio de ventanas en las paredes, techo (claraboyas), patios, etc. La altura influye en la iluminación y ventilación natural ya que si es más alto favorece un mejor mejor aprovechamiento de su confort, pero pero en este caso como se trata de un bar la altura puede ser de 2.40m que permite la suficiente

luz y ventilación para las actividades normales. En la (Fig. Nº 1.1) se presenta dos alternativas de distribución de área.

6m

m 6

6m

m 6

Fig. N° 1.1 Distribución de área

1.2.2

ARREGLO ESTRUCTURAL

El arreglo estructural tiene como propósito la discusión y el desarrollo de la ubicación de sus componentes estructurales dependiendo del tipo de construcción. En este caso, se utiliza los siguientes elementos y construcciones.

a) Es necesaria una base para la Estructura Metálica para ésto es necesario: limpieza, nivelación, replanteo, excavación de plintos y cadenas, fundición de plintos, encofrado y fundición sobrecimientos, encofrado y realización cadena de cemento. Dejando así listo los anclajes para poder levantar las columnas, vigas, largueros y el techo.

b) Los elementos de la estructura metálica que deben ser mencionadas brevemente como puede ser construcciones mixtas, tales como mampostería vigas, columnas - vigas, columnas – armaduras, pórticos y todo lo referente a su diseño estructural. Este aspecto se tratará con más profundidad al final del capítulo.

En el arreglo estructural se puede elaborar de antemano un presupuesto, definiendo tipos y características de materiales a utilizar y de la correspondiente mano de obra especializada, así como también los salarios estipulados.

A continuación se describirá brevemente algunos elementos que intervienen en la base para la Estructura Metálica.

REPLANTILLO

Es la construcción de la capa de cemento pobre en el fondo de las excavaciones destinadas a recibir cimientos de concreto. Antes de iniciar la colocación del hormigón en el plinto, se vaciará sobre el fondo limpio y nivelado de la excavación una capa de hormigón simple de 50mm, de espesor, cuya superficie debe alcanzar la cota inferior de la cimentación indicada en los planos. (Fig. Nº 1.2).

Replantillo

Fig . Nº 1.2 Replantillo

CIMENTACIÓN (PLINTOS)

Se trabajará la piedra por hiladas, debiendo quedar embebidas en el hormigón, se continuará este procedimiento alterando las capas de hormigón de 100mm de espesor y las hiladas de piedra. Se utilizará mortero (cemento – arena)

El plinto tiene las siguientes dimensiones: 400 mm de largo, 400 mm de ancho y 500 mm de profundidad, el replantillo es de 50 mm, la zapata corrida se encuentra realizada con malla corrugada de 5.5 mm de diámetro con intervalos de 150x150 mm. (Fig. Nº 1.3)

Fig. Nº 1.3 Cientación (Plinto)

ANCLAJE DE POSTE

Se utilizará la variante de placa soldada que consiste en fijar al plinto cuatro chicotes donde se funden con los plintos el cual se apoya la columna mediante soldadura. (Fig. Nº 1.4)

Fig. N° 1.4 Anclaje de Poste

1.2.3

ANÁLISIS ANÁLISIS ESTRUCTURAL

El análisis estructural se basa en el tipo de construcción y en los materiales usados, siendo necesarios ciertas especificaciones de diseño y reglamentos de construcción, los mismos que están estandarizados y prescriben generalmente las cargas y sus magnitudes magnitudes a las que estará estará sujeta sujeta

la

estructura.

En este proyecto como está ubicado en la ciudad de Quito se regirá a las normas y especificaciones municipales, al Código Ecuatoriano de la Construcción que establece las cargas y disposiciones básicas para el diseño de estructuras y al código de la AISC, que establece los esfuerzos permisibles según las diferentes condiciones de carga y dimensiones de los materiales.

En algunos casos el Ingeniero Mecánico debe tomar decisiones respecto a las cargas que soporta la estructura y simplificando el análisis estructural para determinar fuerzas internas que se generan en los miembros que constituye la estructura.

El análisis Estructural comprende la determinación de las cargas sobre cada una de los elementos de la estructura: momentos, cortantes y cargas axiales, pudiendo ser necesario realizar cálculos preliminares basados en dimensiones y rigideces relativas para posteriormente hacer un análisis que se aproxime a las dimensiones absolutas de la estructura.

1.2.4

DISEÑO DE LOS MIEMBROS Y ELEMENTOS

Este último paso se refiere al dimensionamiento y elección que debe realizar el Ingeniero Mecánico para cada uno de los miembros que componen el sistema estructural de forma que soporten las fuerzas internas que se generarían en ellos según las cargas que se estipularon en el proceso anterior. Estos miembros deben ser capaces de resistir con un factor de seguridad conveniente, para esto se debe disponer de datos confiables de los fabricantes de miembros estructurales y conocer las técnicas t écnicas más comunes de fabricación.

Las cuatro etapas de diseño que se han descrito casi siempre deben desarrollarse conjuntamente, ya que, todas tienen su grado de importancia relativa entre sí. [1]

1.3

EL ACERO ESTRUCTURAL

Los avances de metalurgia y fabricación de aceros de altas resistencia que se desarrollaron durante el período de 1940 – 1950, pronto encontraron su aplicación en el acero para el diseño de puentes y edificios, los ingenieros habían estado en búsqueda de aceros más recientes que pudieran soportar mayores cargas con pesos reducidos, conforme conforme se acumulaba acumulaba experiencia experiencia y a

(1) GAYLORD, E: Diseño de Estructuras Acero , capítulo I, Pág. 22 y 23.

medida que más diseñadores solicitaban el uso de estos aceros más recientes, se fueron incorporando a las especificaciones de puentes y edificios.

Por muchas características deseables, los aceros estructurales se utilizaban en gran variedad de aplicaciones, el acero tiene alta resistencia, tiene un módulo muy alto, de manera que las deformaciones bajo carga son muy pequeñas, y el módulo es el mismo en tracción que en compresión. Los aceros estructurales también tienen alta ductilidad, para esfuerzos relativamente grandes tienen una relación esfuerzo-deformación unitaria de forma lineal o aproximadamente lineal, por tanto su comportamiento bajo cargas de trabajo puede predecirse con exactitud mediante la teoría elástica. Todavía más, los aceros estructurales se fabrican en condiciones sujetas a estrictos controles, de manera que la calidad uniforme queda asegurada a los compradores.

A pesar de que existen varios tipos

y grados de acero para propósitos

estructurales en las tablas tablas 1.1 y 1.2 que se presentan presentan características técnicas técnicas y propiedades mecánicas del acero ASTM A 36 y del acero A 588 el que fácilmente se consigue en el medio, sea en perfiles laminados en caliente, en frío o en planchas para el armado de perfiles por medio de soldadura. [2]

TABLA 1.1

ACEROS PARA PROPÓSITOS ESTRUCTURALES

DESIGNACION ASTM PRODUCTO

USO

Perfiles, placas y Construcciones soldadas, remachadas soleras de acero al y atornilladas; puentes, edificios, torres carbón. y proyectos estructurales generales.

A 36

A 588

Perfiles, placas y

Enfocado principalmente para puentes y

soleras de acero edificios soldados; resistencia a la corrode alta resistencia sión atmosférica de cuatro veces la del y baja aleación acero al carbón, un acero intemperizado Fuente: Gaylord Edwin H. Diseño de Estructuras de Acero. Pág. 75

TABLA 1.2 NORMAS DE FABRICACIÓN PARA PERFILES ESTRUCTURALES

TIPO

NORMA DE FABRICACION

Fy Fu (min) k.s.i k.s.i 2 (Kg/cm ) (Kg/cm2)

Perfiles placas

y

ASTM A36

36 (2532)

Placas perfiles

y

ASTM A588

36 (3520) (3230) (2950)

4” 5” hasta 8”

OBSERVACIONES

Láminas y tiras de acero al 58 carbón laminado en (4086) caliente, de calidad estructural. Láminas y tiras de acero al 58 carbón laminado en (4920) caliente, de calidad (4710) estructural. (4430)

Fuente: Parker Harry, Cálculo de estructuras de acero, Ediciones Urmo, Pág. 3

A continuación se trata brevemente las ventajas y desventajas del acero estructural

a) VENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL

Alta resistencia. La alta resistencia del acero, por unidad de peso, significa que las cargas muertas serán menores. Este hecho es de mucha importancia en puentes, estructuras de grandes luces, edificio elevados, y en estructuras cimentadas en condiciones precarias.

Uniformidad. Las propiedades de acero no cambian apreciablemente con el tiempo, como sucede con las de concreto reforzado.

Elasticidad. El acero está más cerca de la hipótesis de diseño que la mayoría de los materiales, porque sigue la ley de HOOKE hasta esfuerzos relativamente altos.

Durabilidad. Las estructuras de acero con un mantenimiento adecuado pueden durar indefinidamente.

La investigación en algunas estructuras de acero establece, que bajo ciertas condiciones requieren pintura para su mantenimiento.

Ductilidad. La propiedad del material que permite soportar deformaciones generales sin fallar, bajo esfuerzos de tensión elevados, se conoce como ductilidad.

Cuando un miembro de acero dulce se somete a la prueba de tensión, ocurrirá una reducción considerable en su área transversal y un fuerte alargamiento, en lugar de la falla, antes de que la fractura real ocurra.

Un material que no tenga esta propiedad es probablemente duro y quebradizo, posiblemente se rompa si recibe un choque súbito.

Aplicación de estructura existente. Las estructuras de acero se presentan con fines de aplicación, tramos nuevos y en muchas ocasiones pueden añadirse a las estructuras de acero ya existentes, y los puentes de acero a menudo pueden ampliarse.

Soldabilidad. Es la propiedad del acero para soldarse sin que cambien sus propiedades mecánicas básicas. En general la soldabilidad decrece con la mayor cantidad de carbono y el manganeso.

Algunas otras ventajas de acero estructural son:

Adaptación a prefabricación. Rapidez de montaje. Tenacidad y resistencia a la fatiga.

b) DESVENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL

En general, el acero tiene las siguientes desventajas:

Costo de mantenimiento. La mayoría de los aceros se corroen cuando están expuestos libremente al aire y deben pintarse periódicamente.

Costo de protección contra incendio. La resistencia del acero estructural se reduce notablemente a las temperaturas que se alcanzan durante los incendios. La estructura de acero de un edificio debe estar a prueba de incendio a fin de asegurarla con primas bajas. Debe recordarse, sin embargo, que el acero es incombustible.

Susceptibilidad al pandeo. A medida que los miembros sujetos a compresión son más largos y delgados, mayor es el peligro de pandeo. Como se indicó previamente, el acero tiene alta resistencia por unidad de peso, y cuando se usa para columnas de acero no siempre resulta económico, porque debe utilizarse una considerable cantidad de material tan sólo para reforzar las columnas y evitar su pandeo. [3]

1.3.1 PERFILES ESTRUCTURALES

Los perfiles de acero como material estructural son de una gran importancia para el diseñador y constructor de estructuras metálicas. Estos perfiles de acero se pueden encontrar en el mercado de una diversidad de tipos, pero se pueden clasificar en general en dos clases: perfiles laminados en caliente y conformado en frío. [4]

1.3.1.1 PERFILES LAMINADOS EN CALIENTE

El Instituto Americano de la Construcción, AISC, publica periódicamente el Manual de la Construcción en Acero, el cual contiene la “Especificaciones para el Diseño, Fabricación y Construcción de Edificios en Acero” , y una recopilación

técnica de los productos para la construcción en acero (perfiles, tubos, conectores, sueldas), que producen la principales fábricas americanas productora de acero estructural.

Las fábricas de aceros producen perfiles de sección tipo “I”, denominados (W,

S, y HP). Los perfiles “W” son de patines anchos y superficies paralelas, utilizados para vigas.

Los perfiles “S”, vigas standard americanas, tienen la superficie interna del

patín con una inclinación del 16%. Los perfiles “HP”, pilotes de carga, tienen patines de superficies paralelas y espesores iguales del alma y l os patines.

Otros tipo de perfiles que se producen son lo canales “C”, lo angulares “L”, de

lados igual es y lados desiguales, perfiles “Z”, y lo tipos de sección circular, cuadrada y rectangular. Existen además perfiles “M”, (tipo I), que no pueden ser calificados como “W”, “S” o “HP”, así como perfiles “MC”, (tipo C), que no

son los canales estándar americanos.

La nomenclatura usada para la designación de los perfiles laminados en caliente consiste de una letra para identificar tipo , seguida por dos o más números que identifican las dimensiones nominales de peralte, ancho, espesor, o peso.

Cada perfil de las tablas AISC, tiene listado sus “Propiedades de Diseño” (área transversal, espesor de patines y alma, inercias, etc.) considerando los chaflanes más pequeños, y las dimensiones de los detalles basadas en los chaflanes más grandes con relación a los chaflanes que utilizan las diferentes fábricas en la producción de los perfiles de acero.

El ingeniero debe disponer de un manual actualizado de perfiles AISC o similar, pues normalmente para obras de gran envergadura, los perfiles de acero se importan, o debe realizar consultas sobre que perfiles se comercializan localmente y establecer si estos satisfacen el requisito de la obra.

Los perfiles que se encuentran en nuestro país son los IPN, UPN.

Fig. Nº 1.5 Perfiles Laminados en Caliente Fuente: Parker Harry, Cálculo de estructuras de acero, Ediciones Urmo, Pág. 5

1.3.1.2 PERFILES LAMINADOS EN FRÍO

Para la producción de perfiles laminados en frío se puede disponer de planchas y láminas de acero moldeable y en varias resistencias. Se produce perfiles para uso en estructuras sometidas a cargas ligeras con luces medianas y grandes, como pórticos, cubiertas de coliseos, piscinas, hangares, fábrica y talleres.

El Instituto Americano del Hierro y Acero, AISI, desde 1939 ha desarrollado procedimientos y datos para el diseño estructural con aceros de calibre ligero y perfiles de lámina delgada formado en frío, utilizando plancha de acero de baja aleación de carbono y no mayor de una pulgada de espesor. Estos perfiles cumplen con los principios clásicos de la mecánica estructural y los que se aplican a perfiles y placas de acero estructural laminados en caliente, pero se deben tener muy en cuenta la distorsión de la sección por pandeo o alabeo, la resistencia de post-pandeo y otros efectos similares. Se los utilizará para soportar carga en estructuras con una apropiada estabilidad para efectos dinámicos.

Los perfiles de acero formado en frío que se producen en rodillos o dobladoras a partir de las chapas de acero, son estandarizados, (a diferencia de los perfiles laminados en caliente), más aún, el calculista puede utilizar formas especiales en sus diseños. Los canales, (secciones U y G), lo ángulos y las secciones “Z”, se laminan en una sola

operación a partir de una pieza del

material. Las secciones “I”, se obtienen soldando dos canales espalda a espalda, o soldando dos angulares a un canal. Todas las secciones se pueden rigidizar mediante patines planos o rebordes en las orillas exteriores. Para la denominación de estos perfiles se utiliza una letra para identificar el tipo de perfil, seguida por números para señalar sus dimensiones que normalmente se dan en milímetros.

En el país se producen perfiles formados en frío que varían de 5 a 30cm de peralte, pueden soportar cargas considerables y se usan como miembros

estructurales principales en edificios de hasta seis pisos, y en cerchas de cubiertas o puntes.

Fig. Nº 1.6 Perfiles Laminados en Frío. Fuente: Parker Harry, Cálculo de estructuras de acero, Ediciones Urmo, Pág. 6

1.3.1.3 TIPOS DE PERFILES A UTILIZAR

Existen varias formas de perfiles que se pueden utilizar para una estructura metálica. Pero citaremos los que normalmente existen en el mercado nacional y sea conveniente para el proyecto.

a) PERFIL “G”

Son perfiles utilizados para la elaboración de vigas y columnas compuestas y se utiliza también para largueros en la parte superior de la cubierta ya que su forma facilita realizar el el anclaje de techos como como es el aluminio, galvanizado, galvanizado, asbesto y plástico, que se encuentra en el mercado, conformado en frío desde 60x30x15x2 60x30x15x2 mm hasta 200x50x15x4 200x50x15x4 mm de espesor.

b) PERFIL “L”

Estos perfiles angulares son de dos tipos: lados iguales y lados desiguales que son utilizados en vigas y columnas mediante cordones de soldadura, remaches y pernos, que se encuentra en el mercado, laminado en caliente desde 20x20x2 mm hasta 50x50x4 mm de espesor.

c) PERFIL “C”

Son perfiles de canal utilizados para la elaboración de vigas y columnas tanto en celosías y secciones compuestas.

Este tipo de perfiles se encuentra de dos tipos: laminado en caliente y conformado en frío desde 60x30x2 mm hasta 200x50x4 mm de espesor.

d) PERFIL “I”

Estos perfiles existen en gran variedad de dimensiones estandarizadas que son utilizados para vigas y columnas columnas en la construcción de edificios, puentes, etc.

Este tipo de perfil tiene limitación de su uso pues su costo es elevado al ser importado, de existir la necesidad se los puede armar mediante placas y soldadura, también se podrá formar un “I” con perfiles C, G, a través de soldadura.

1.4

CUBIERTAS

Se llama cubierta a la superficie entramada que cierra un edificio por su parte superior proporcionando a éste un adecuado aislamiento térmico y protegiéndole de los elementos climatológicos exteriores.

Las cubiertas pueden ser simples si están compuestas por elementos sustentantes de una sola clase. Se llaman compuestas cuando los elementos planos no son por sí solos resistentes a la sustentación, siendo, por tanto, necesario el empleo de cerchas. Este tipo de cubiertas pueden ser fácilmente elaboradas por la gran diversidad de materiales que disponemos en el

mercado, así como la ventaja de poder ser armados sus miembros ya sea mediante soldadura, remaches o pernos.

La función de una cubierta es la de cubrir un espacio con el menor número de soportes intermedios y a la vez evacuar correctamente las aguas de lluvia, según sean sus pendientes, así como suministrar a través de sus cristales la iluminación de la nave.

1.4.1 ELEMENTOS DE UNA CUBIERTA

Los elementos que componen una cubierta metálica son conocidos en el campo industrial. En la Fig. Fig. Nº 1.7 muestra los componentes componentes de una cubierta.

Fig. N° 1.7 Elementos de Cubierta .

Los elementos que componen una estructura metálica son conocidos en el campo industrial con algunos sinónimos que dependen del tipo de estructura.



En el punto 3, 7, 5, 4 y 6 son los miembros que componen la estructura principal, cubriendo el claro para soportar las cargas muertas y vivas.



En el punto 2 son miembros que trasmiten las cargas de la cubierta a la estructura principal y trabajan a flexión.



El punto 1 es el que cubre toda la estructura.



El punto 8 son miembros de rigidez que soportan las cargas de viento. [5]

1.4.2 TECHOS

a) ASBESTO-CEMENTO

En el caso de los productos de asbesto-cemento, el asbesto es una materia prima minoritaria (aprox. 10%), y está catalogada como “material cautivo”, pues

las fibras están aprisionadas dentro del cemento, y no se desprenden durante su manejo normal, aplicación y servicio. En la Fig. Nº 1.8 se detallan los techos más usados en el mercado nacional. [6]

Fig. N° 1.8 Tipos de Techos (Asbesto-Cemento)

(6) ETERNIT: Catálogo General.

b) PANEL DE ACERO

Panel de acero protegido con aluminio, lo cual dá larga vida a su techo. El aluminio refracta los rayos solares haciendo que el ambiente debajo del techo sea más fresco.

Este tipo de techo es resistente para cualquier tipo de clima, no se quiebra, no se oxida, no se adhieren hongos, es muy liviano, por tanto es muy fácil de transportar e instalar. El panel tiene una costura mecánica que logra cubiertas 100% herméticas aún para pendientes mínimas del 2%; producido en medidas estándar. En la Fig. Nº 1.9 se detallan los techos más usados en el mercado nacional. [7]

Fig. N° 1.9 Tipos de Techos (Acero Inoxidable)

(7) KUBIEC: Catálogo General.

1.4.3 ESTRUCTURAS PARA CUBIERTAS

Las estructuras para cubiertas se pueden clasificar en algunos grupos: columnas - armaduras, columnas - vigas, marcos rígidos, estas se analizarán a fin de relacionar con las condiciones que se dispone en el proyecto.

1.4.3 1 COLUMNAS Y ARMADURAS

Las armaduras se pueden definir como vigas grandes, de gran peralte y de alma abierta. Se trata de una estructura triangulada que recibe el peso de las correas y los trasmite a los soportes o a los muros. La armadura puede adoptar dos formas:



Cubierta a dos aguas formadas por cerchas simétricas dispuestas según planos paralelos y enlazados por las correas que soportan los faldones.



Cubierta parabólica en celosía de sección uniforme así como de sección variable.

Existen un sin número de cerchas que se pueden utilizar en la construcción de cubiertas. Algunas de estas armaduras y columnas se presentan en la

Fig. Nº 1.10 ya que son apropiadas para salvar pequeñas, medianas y grandes luces en sección uniforme así como de sección variable. [8]

Fig. N° 1.10 Tipos de Armaduras . Fuente: Parker Harry, Cálculo de Estructuras de Acero, Edición Ur mo, Pag. 67

El grupo de columnas se detallaran en la figura Nº 1.11 donde se muestran los tipos más comunes que se expondrá en el grupo de vigas.

(8) PARKER, H: Cálculo

de Estructuras de Acero,

capítulo II, Pág. 67.

1.4.3.2

COLUMNAS Y VIGAS

Es el conjunto monolítico de los elementos fundamentales de una construcción, ordenados normalmente paralelo a la fachada, y cuyos elementos principales son las columnas y las vigas. [9]

a) COLUMNAS

Son los elementos verticales de las estructuras, los cuales soportan las cargas de toda la construcción, vigas, muros y forjados. Según estén formados por uno o varios perfiles, se les denomina simples o compuestos.

c) VIGAS

Son estructuras trianguladas que tienen paralelos sus cordones y apoyan en sus extremos.

Existen vigas que se fabrican en taller o en obra, éstas son menos utilizadas, pues los perfiles existentes hoy en el mercado simplifican su uso.

Según la disposición de sus montantes y diagonales reciben nombres diferentes. He aquí se detallan en la Fig. Nº 1.11 las más usuales.

Fig. N° 1.11 Tipos de Vigas y Columnas. Fuente: Fernández, D. Estructuras Metálicas, Ediciones Daly, Pág. 10 y 11

1.4.3.3

MARCOS RÍGIDOS

El marco rígido es una estructura con juntas resistentes a momentos. En las juntas los miembros están rígidamente conectados entre sí, para impedir la rotación relativa de ellos cuando se aplica cargas. Ventajas de estos marcos son: economía, apariencia y ahorro en la altura libre. Desempeñan los mismos trabajos que las columnas de acero y las armaduras pueden llevar a cabo, sin ocupar tanto espacio. Los marcos rígidos han probado ser muy satisfactorios

para iglesias, auditorio, casas de campo, arsenales, coliseos y otras estructuras que requieren grandes áreas sin obstrucciones. [10]

En la Fig. Nº 1.12 se muestra un arco parabólico. El área que debe encerrar, se considera rectangular, como se presenta en (a) con línea interrumpida. En la parte (b) el arco se dobla de manera que incluye precisamente el diagrama de espacio libre. Situación similar que se grafica en las partes (c) y (d).

Fig. N° 1.12 Tipos de Marcos Rígidos . Fuente: J. McCormac, Diseño de Estructuras Metálicas, 1° Edic ión, Pág. 651

Este tipo de marcos pueden ser a dos aguas o parabólicas, en alma llena de sección uniforme así como de sección variable.

(10) McCORMAC, J: Diseño de Estructuras Metálicas , capítulo 19, Pág. 650.

1.5

PRINCIPALES TIPOS DE ESTRUCTURAS UTILIZADAS

Los tipos de estructuras que generalmente se diseñan están de acuerdo a las necesidades y preferencias del contratante en el mercado nacional.

a) TIPO I

Este tipo de estructura en celosías a dos aguas y parabólica esta formado por columnas y vigas cuyas secciones integran por dos perfiles “C” en sus miembros principales y perfiles “L” en los miembros secundarios. Los

elementos se hallan ligados mediante cordones de soldadura, también se utiliza un sistema de empernado en las columnas para su anclaje a la cimentación y para la cubierta largueros de perfil”G”. La estructura se presenta

en la Fig. Nº 1.13.

Existen dos formas para disponer las correas que forman la cuerda superior y la cuerda inferior, estas son:

1. Mediante celosías formadas por varillas de acero y perfiles de acero estructural.

2. Mediante un perfil conformado en frío (L)

La altura de las columnas suelen ser de cuatro metros y el ángulo de inclinación de las vigas oscilan entre los 15 y 20 grados para cubierta, en

general este tipo de estructura se emplea en naves de uso múltiples para cubrir, medianas y grandes luces.

Fig. N°. 1.13 Estructura en Celosía a dos aguas y parabólica.

b) TIPO II

Este tipo de estructuras de alma llena a dos aguas y parabólica con juntas resistentes a momentos, desempeñan los mismos trabajos que las columnas de acero sin ocupar tanto espacio. Los marcos rígidos han probado ser muy satisfactorios para iglesias, auditorios, casas de campo, arsenales y otras estructuras que requieren grandes áreas sin obstrucciones también se utiliza un sistema de empernado en las columnas para su anclaje en la cimentación y para la cubierta largueros tipo “I”. La estructura se presenta en la Fig. Nº 1.14.

Estos marcos rígidos generalmente para claros de 7 a 60m o más. Dependiendo de las cargas, tipo de construcción, la separación de centro a centro de marco es entre 4 a 10m.

Fig. N° 1.14 Estructura el Alma llena a dos aguas y parabólica.

c) TIPO III

Este tipo de estructura es empleada para cubrir pequeñas áreas, los elementos de las vigas y columnas están formados por perfiles “G”, estos elementos están

armados o compuestos, mediante cordones de soldadura, se utiliza también un sistema de empernado en las columnas para su anclaje en la cimentación y para la cubierta largueros de perfil “G”. La estructura se presenta en la Fig. Nº

1.15. La altura de las columnas suelen ser de tres metros y el ángulo de inclinación de las vigas oscilan entre los 15 a 20 grados para cubierta, en general este tipo de estructuras se puede emplear para cubrir pequeñas y medianas luces como bares, aulas, casas comunales, galpones, casas, etc.

Fig. N° 1.15 Estructura con perfiles armados a dos aguas.

d) TIPO IV

Este tipo de estructuras son estéticas para pequeña, medianas y grande luces. De la Fig. Nº 1.16 los elementos principales viga y columnas están formados por tubería estructural redonda.

Fig. N° 1.16 Estructura con tubos Estructural redondo parabólico.

De la Fig. Nº 1.17 los elementos principales de la viga están formados por placas armadas con soldadura y las columnas están armadas con correas “G”

Fig. N° 1.17 Estructura de alma llena de una sola caída.

1.6

ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS

Se ha revisado todo tipo de estructuras comunes en el mercado nacional como las secciones para su construcción, las funciones que desempeñan, tipo de materiales, etc, las cuales deben ajustarse a las necesidades del cliente.

Se realizará el análisis de los tipos de estructuras, como referencia a las citadas anteriormente.

Todos los tipos de estructuras antes mencionados son aceptables para el proyecto ya que las condiciones de servicio son viables, siempre y cuando la construcción tenga una adecuada altura en sus columnas y vigas.

Este tipo de estructuras se acopla a las condiciones que tiene el lugar destinado para la Facultad de Ingeniería Mecánica.

Las estructuras a dos aguas y parabólicas son livianas, económicas y seguras, su estructura permite que sea funcional para las actividades que se van a desarrollar en el lugar.

a) ALTERNATIVA I

Las estructuras tipo I y II por su configuración son aceptables ya que estas estructuras son dedicadas para cubrir grandes y pequeñas luces como coliseos, galpones, piscinas, casas y otros.

b) ALTERNATIVA II

La estructura tipo III por su configuración es aceptable para el proyecto ya que es liviana, segura y económica, permitiendo su funcionalidad para actividades a desarrollar.

Esta estructura es una alternativa aceptable pero es muy común en la construcción de pequeñas luces.

c) ALTERNATIVA III

Las estructuras Tipo IV ilustradas anteriormente reúnen características ideales que se ajustan a la necesidad del proyecto por lo estético ya que no merita mayores cargas y son seguras, livianas, económicas, etc.

Razón por la cual este tipo de estructuras es una solución para la necesidad del proyecto.

1.7 SELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA PARA EL PROYCTO

Para la selección de la estructura disponemos según los espacios disponibles ideales que se ajustan a la necesidad del proyecto, identifica tres tipos de estructuras metálicas como posibles opciones para el proyecto. A continuación se observara las estructuras en las figuras ( Fig. Nº 1.18, Fig. Nº 1.16 y Fig. 1.14)

El tipo de estructura para construir se selecciona con criterios importantes como: el económico, estético y la preferencia del cliente.

Fig. N° 1.18 Estructura parabólica con tubo redondo.

Fig. N° 1.16 Estructura parabólica en celosía con tubo redondo (b).

Fig. N° 1.14 Estructura de alma llena a dos aguas.

1.7.1 CRITERIO ECONÓMICO

Los materiales a utilizar para las distintas estructuras se encuentran disponibles en su totalidad en el mercado nacional, para satisfacer la necesidad y requerimiento del cliente.

Las estructuras de las figuras (Fig. Nº 1.18, Fig. Nº 1.16 y Fig. Nº 1.14) son estructuras sometidas solo a esfuerzos de compresión y pequeños esfuerzos de flexión.

Las estructuras de celosía son más ligeras que las de alma llena por su tiempo y construcción por lo tanto es más barato construir con tubería estructural redonda.

Las estructuras armadas con placas tienen un mayor costo con relación a los de tubería estructural redonda ya que se requiere de mano de obra adicional para el armado.

A continuación se presenta un cuadro comparativo de la tabla 1.3 del costo de los diferentes tipos de estructuras previo al diseño.

TABLA 1.3

COSTO DE ESTRUCTURAS

TIPO DE ESTRUCTURAS 1. Estructura Parabólica de Tubo Redondo con Domos 2. Estructura Parabólica en Celosía de Tubo con Eternit 3. Estructura de Alma Llena de dos caída con Panel Metálico

COSTO TOTAL USD 2160,00 1930,00 2067,00

Los valores que se indica en la tabla 1.3 son costos estimados de materiales, mano de obra, equipo y herramientas, pero no se ha considerado el valor de diseño, ya que, se requiere de un mayor análisis de una estructura de alma llena a una estructura de tubería estructural redonda por lo cual varían los precios pero tratándose del proyecto profesional de grado este costo no aumenta el valor total.

1.7.2 CRITERIO ESTÉTICO

En este caso para el criterio estético constructivo se están utilizando las estructuras metálicas, aumentando el gusto por las formas adaptadas al material y a su diseño estructural para bar restaurante, bar cafetería, casas unifamiliares y otras construcciones de servicio.

Para este caso es importante armonizar con el espacio interior y exterior que es óptimo para este tipo de construcciones, sin obstruir el espacio requerido que es de gran importancia.

1.7.3 CRITERIO DEL CLIENTE

El cliente es la parte más importante para la ejecución de la obra, mientras tanto que el ingeniero mecánico como diseñador, tiene la necesidad de acogerse de las exigencias y preferencias del cliente, satisfaciendo así todos sus aspectos preferidos para incentivarle que realice la obra.

El cliente sugiere que se realice una estructura metálica de placas armadas de dos caídas, porque se ajusta a las necesidades y condiciones que tiene el lugar.

A continuación

se presenta una escala de valoración para calificar las

alternativas (Fig. N°.18) y un cuadro comparativo de la tabla 1.4 del análisis de alternativas.

ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS 12

10

8 ECONÓMICO

6

ESTÉTICO FUNCIONAL CLIENTE

4

2

0 EST. PARABÓLICA DE TUBO REDONDO

EST. PARABÓLICA EN EST. DE ALAMA LLENA CELOSÍA DE TUBO

Fig. N° 1.19 Escala de valoración de alternativas.

TABLA 1.4 ANALISIS DE ALTERNATIVAS ALTERNATIVA CRITERIO ECONÓMICO ESTÉTICO FUNCIONAL CLIENTE TOTAL

EST. PARABÓLICA EST. PARABÓLICA EST. DE ALMA DE TUBO REDONDO EN CELOSÍA DE TUBO LLENA 9 9 9 8 7 10 9 9 10 8 8 10 34 33 39

CAPÍTULO II

ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA

2.1 INTRODUCCIÓN

Primero se realizará un diseño y análisis previo o preliminar, en el que se asumen dimensiones iniciales, la rigidez, las resistencias relativas entre los miembros y se simplifica el análisis para llegar posteriormente al diseño definitivo a través de iteraciones de aproximación.

Luego del análisis y diseño previo se definen las dimensiones y geometría exactas del pórtico a construir, información que se recoge en los planos respectivos. Se revisan las cargas que soporta la estructura por la variación de las secciones asumidas inicialmente para el pórtico, determinando así los esfuerzos según las condiciones respectivas para el diseño de todos sus elementos individuales y finalmente se diseñará los largueros, placas bases y uniones soldadas.

Para el análisis y diseño tanto preliminar como definitivo se usa el Código Ecuatoriano de la Construcción, el Manual de la AISC y el programa Sap 2000 que sirve para determinar las reacciones y cargas del pórtico.

2.2 ANÁLISIS Y DISEÑO PRELIMINAR

La geometría y las dimensiones básicas para la estructura a construir se presentan en la figura Nº 2.1. La estructura elegida corresponde al pórtico a dos aguas sobre dos columnas articuladas en sus bases.

Fig. N° 2.1 Nomenclatura del Pórtico Donde: L = Luz del pórtico

=

6m

H = Altura total del pórtico

=

3,50 m

h = Altura de la columna

=

2,60 m

q = Longitud de la viga inclinada

=

3,13 m

f = Altura de la cubierta

=

0,90 m

S = Longitud de toda la viga (2xq)

=

6,26 m

T = Longitud del pórtico (S+2xh)

=

11,46 m

d = Separación entre pórticos

=

3m

t’ = Longitud de la cubierta (2q+2x0.5m)

=

7,26 m

2.2.1

CARGAS SOBRE LA ESTRUCTURA

Se estiman las cargas tanto muertas como vivas que actúan sobre la cubierta a dos aguas para el Bar de la Universidad Tecnológica América de la Facultad de Ingeniería Mecánica.

2.2.1.1 CARGAS MUERTAS

PESO DE LA CUBIERTA

El peso de la cubierta se estima en 4,8

Kgf m2

que corresponde a una cubierta de

plancha de Galvalumen tipo Kubimil de 0,4 mm. Este valor proporciona el fabricante KUBIEC.

Para el diseño se tienen las siguientes cargas:

La carga W es el peso total de la cubierta se determina con la siguiente fórmula.

W



 pt d  '

Ecuación (2.1)

Donde:

W = carga total p = peso estimado t’ = longitud de la cubierta

d = separación entre pórticos

 

W  4,8

kgf 

7,26m3m  m  2

W 104,5 Kgf 

La carga correspondiente W vertical uniformemente repartida sobre la luz del pórtico se determina como:

w

W 

L

104,5 Kgf

w



w



6m 17,4

kgf m

De forma similar se calcula el resto de las cargas muertas y los resultados se presentan en la Tabla 2.1

PESO DEL PÓRTICO

Para el diseño del pórtico se estima una sección I conformada mediante planchas laminadas en caliente de Acero ASTM A36. Las dimensiones de sus miembros son:

PERFIL TIPO I

Mediante planchas laminadas

ASTM A-36 laminados en caliente.

Las dimensiones de los miembros son:

Patín:

Ancho

(b)

= 12 cm

;

espesor (t) = 0,4 cm

Alma:

Ancho

(h)

=

;

espesor (t) = 0,4 cm

20 cm

Las áreas del pórtico resultan: Patín

= 2 (0,12 m X 0,004 m)

=

9,6x10-4 m2

Alma

=

=

8x10-4 m2

0,20 m X 0,004 m

Total del área del pórtico es

=

17,6x10-4 m2

Peso del pórtico por metro = 17,6x10-4 m2 x 7880

Kgf

Patín

= 2 (0.12 m X 11.46 m)

=

2,7504 m2

Alma

=

=

2,292 m2

0.20 m X 11.46 m

m3

= 13,87

Kgf m

Patín de 4mm de espesor es 31,40

Kgf

Alma de 4mm de espesor es 31,40

Kgf

m2

m2

= 2,7504 m2 x31,40 = 2,292 m2 x31,40

Kgf m2

Kgf m2

= 86,36 Kgf

= 71,96 Kgf

Total del pórtico entre el patín y el alma es de 158,32 Kgf.

Este valor se incrementa un 15 % por cargas de arriostramiento, soldadura y apoyos, entonces queda con un valor de 182,00 Kgf

PESO DE LAS CORREAS

Inicialmente se considera un perfil G 80 x 40 x 15 x 3, separadas una de otra a una distancia de 1,20 m, con esto se calcula la cantidad y peso total. Los valores son proporcionados por el fabricante.

Donde:

Longitud de la viga

= 6,50 m

Separación de la correas

= 1,20 m

Cantidad / Unitaria

= 9 unidades

Peso de la correas

= 4,01

Distancia entre pórticos

=3m

Kgf m

Total peso de la correas = (C/U) x (d) x (peso correa) = (9) x (3 m) x (4,01

Kgf m

)

= 108,3 Kgf

PESO DE INSTALACIONES

Se estima que por posibles instalaciones que se realizan sobre el pórtico tiene una carga de 5

Kgf m2

.

Donde:

Longitud de la viga

= 6,26 m

Separación entre pórtico

=3m

Peso de instalación

= 5 Kgf/m2

Total peso de instalaciones

= 6,26 m x 3 m x 5 = 93,9 Kgf.

Kgf m2

TABLA 2.1 TOTAL DE CARGAS MUERTA

CARGAS MUERTAS PESO CARGAS

PESO

Kgf m

Kgf

Cubierta

17,4

104,5

Pórtico

30,3

182,0

Correas

18,1

108,3

Instalaciones

15,7

93,9

Total

81,5

488,7

2.2.1.2 CARGAS VIVAS

CARGA MÍNIMA VIVA

De acuerdo al Código Ecuatoriano de la Construcción (C.E.C.), específica que se utilizará para el cálculo de cubiertas una carga mínima de 70

Kgf m2

, este valor

resulta igual que las cargas de granizo y ceniza como se observará más adelante.

Total carga mínima viva

= 70

Kgf

= 70

Kgf

m2

m2

x (d) x (L) x (3m) x (6m)

= 1260 kgf

CARGAS DE VIENTO

Según datos actuales (año 1999) del Instituto Nacional de Meteorología (INAMHI), establece una velocidad de 80 1.05

Kgf m3

Km h

, con una densidad del aire de

.

El cálculo se determina de la siguiente fórmula.

W=cxq

Ecuación (2.2)

Donde: W = presión

Kgf m2

c = coeficiente de aerodinámica q = presión dinámica [1/2 (V 2 x d)] d = densidad del aire 1.05

Kgf m3

.

q = 0.00405 x V2 V = velocidad en

Km h

(1) GAYLORD, E: Diseño de Estructuras Acero , capítulo I, Pág. 36.

[1]

W = (C) X (0.00405) X (V2)

El valor de C para fachada de barlovento perpendiculares a la dirección del viento es generalmente de 0.8 y para sotavento 0.4 de manera que se puede remplazar este efecto por un factor de 1.2 en una de las fachadas. Las presiones en el techo dependen de la inclinación y la forma.

C = 1.2

W = c x q x V 2

[2]

W = (1.2) x (0.00405 x 802) W = 31,1

Kgf m2

Se usará 30

Kgf m2

Total carga de viento

= 30

Kgf

= 30

Kgf

m2

m2

x (d) x (f) x (3m) x (0,90m)

= 81 kgf

(2) GAYLORD, E: Diseño de Estructuras Acero , capítulo I, Pág. 37.

CARGA DE GRANIZO

Según el informe de la (INAMHI) en Quito se considera un peso de granizo de 40

Kgf m2

que se establece anualmente.

Total de carga de granizo = 40

Kgf

= 40

Kgf

m2

m2

x (d) x (L) x 3m x 6m

= 720 kgf

CARGA DE CENIZA

Realizado por el Departamento de Investigación (ESPE) la carga de ceniza es de 20

Kgf m2

.

Total de carga de ceniza = 20

Kgf

= 20

Kgf

m2

x (d) x (L)

m2

= 360 kgf

x 3m x 6m

CARGA SÍSMICA

Según el Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional (E.P.N.) en el país y en especial en Quito, establece un valor de carga sísmica, la misma que es asumida por el Código Ecuatoriano de la Construcción (C.E.C.) sustentada por la siguiente fórmula.

V = I x K x CS x W

Ecuación (2.3)

Donde:

V = fuerza lateral sísmica I = factor de importancia de ocupación (1.0) K = factor de fuerza horizontal para estructuras (1.33) CyS = coeficiente numérico que depende del período natural de vibración (no debe exceder de 0.14) W = carga muerta 488.7 Kgf

Desarrollo:

V = (1.0) x (1.33) x (0.14) x (W) V = (1.0) x (1.33) x (0.14) x (488,7 Kgf) V = 91,0 Kgf

En el siguiente cuadro se presentan las respectivas cargas que están dadas en Kgf m

2

,

Kgf m

y Kgf, que son las que se obtienen.

TABLA 2.2 TOTAL DE CARGAS VIVAS

CARGAS VIVAS Kgf

Kgf

m2

m

Carga Viva (C.E.C)

70

210

1260

Carga de Viento (INAMHI)

30

90

81

Carga de Granizo (INAMHI)

40

120

720

Carga de Ceniza (ESPE)

20

60

360

CARGAS

Carga Sísmica (C.E.C)

Kgf

91

Por tanto la carga de granizo más la carga de ceniza son relativamente iguales a la carga viva, entonces se usará la carga viva del Código Ecuatoriano de la Construcción (C.E.C.)

A pesar de que la carga sísmica es mayor que la carga de viento se usará la de viento por ser un diseño preliminar.

Obtenidos los valores de carga muerta, carga viva y carga de viento se procede a calcular las reacciones, momentos, axiales y cortantes.

2.2.2

CÁLCULO DE REACCIONES, MOMENTOS, AXIALES Y CORTANTES

Para el cálculo de reacciones, momentos, axiales y cortantes según las diferentes condiciones de carga muerta, viva y de viento, en los diferentes puntos de la estructura se utilizará el programa SAP 2000 correspondiente al cálculo de pórticos articulados.

Se presentarán diagrama de momentos, axiales y cortantes, los mismos que se basarán en la siguiente convención de signos.

Momentos: los que comprimen las fibras externas o superiores: positivos, los que tensan las fibras internas o interiores negativos.

Axiales: los que causan fuerzas de tensión: positivos y los que causa compresión negativos.

A efecto del cálculo se consideran las siguientes cargas:

Carga muerta

=

81,5

Kgf

Carga viva

=

210

Kgf

Carga de viento =

90

Kgf

m

m

m

Para determinar las reacciones, cortantes, axiales y momentos se definen varias secciones sobre el pórtico, que se representan con puntos según el siguiente sistema de coordenadas:

Fig. N° 2.2

TABLA 2.3

Distribución de secciones

VALORES DE X Y Z VALORES (m)

PUNTO

X

Z

1

0

0

2

0

1,3

3

0

2,6

4

1,5

3,05

5

3

3,5

6

4,5

3,05

7

6

2,6

8

6

1,3

9

6

0

Las dimensiones del perfil utilizado se presenta en la Fig. N°. 2.3 y en la tabla 2.4 y en la Fig. N°. 2.4 se indica un esquema del pórtico.

Fig. N° 2.3 Nomenclatura para la sección del pórtico en Prediseño

Tabla N° 2.4 Dimensiones y propiedades del perfil.

DIMENSIONES

PROPIEDADES

b=

0,12 m

Ix = 1,158E-5 m

h=

0,20 m

Iy = 1,153E-6 m4

ta =

0,004 m

Sx = 1,158E-4 m

tp=

0,004 m

Sy = 1,922E-5 m rx = 0,0819 m ry = 0,0258 m A = 1,728E-3 m2

Fig. N° 2.4 Esquema del pórtico mediante el perfil I.

2.2.2.1 CARGA MUERTA VERTICAL UNIFORMEMENTE REPARTIDA

Es la carga vertical dirigida hacia abajo uniformemente distribuida y se asume constante a lo largo de toda la luz. La carga distribuida “w” tiene un valor P/L (peso por unidad de longitud). [3]

Donde

w

P 

L

488,7 Kgf

w



w



6m 81,5

Kgf m

Fig. N° 2.5 Carga Muerta.

(3) LOTHERS, J: Cálculo Superior de Estructuras de Acer o, capítulo V, Pág. 509.

CARGA MUERTA – ANÁLISIS DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES

Fig. N° 2.6

Diagrama de Carga Axial

DIAGRAMA DE FUERZAS CORTANTES

Fig. N° 2.7 Diagrama de Fuerzas Cortantes

DIAGRAMA DE MOMENTOS

Fig. N° 2.8

Diagrama de Momentos.

Tabla N° 2.5 Valores con Carga Muerta

TABLA DE VALORES CON CARGA MUERTA X

Z

Mx

Nx

Qx

[m]

[m]

[Kgf*m]

[Kgf]

[Kgf]

1

0,00

0,00

0,00

-255,27

-71,66

2

0,00

1,30

93,15

-255,27

-71,66

3

0,00

2,60

186,31

-255,27

-71,66

-186,31

-141,98

-223,91

4

1,50

3,05

66,56

-105,33

-101,74

5

3,00

3,50

132,10

-68,63

6

4,50

3,05

66,77

-105,33

101,58

7

6,00

2,60

-186,31

-141,98

223,91

-255,27

71,66

8

6,00

1,30

-93,15

-255,27

71,66

9

6,00

0,00

0,00

-255,27

71,66

PUNTO

20,59 -20,59

2.2.2.2 CARGA VIVA VERTICAL UNIFORMEMENTE REPARTIDA

Actúa verticalmente sobre la cubierta y se asume constante a lo largo de toda la luz (C.E.C.)

w



210

Kgf m

Fig. N° 2.9 Carga Viva.

CARGA VIVA – ANÁLISIS

DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES

Fig. N° 2.10 Diagrama de Carga Axial




Fig. N° 2.12

Tabla N° 2.6

Diagrama de Momentos

Valores con Carga Viva.

TABLA DE VALORES CON CARGA VIVA X

Z

Mx

Nx

Qx

[m]

[m]

[Kgf*m]

[Kgf]

[Kgf]

1

0,00

0,00

0,00

-657,74

-184,64

2

0,00

1,30

240,03

-657,74

-184,64

480,06

-657,74

-184,64

-480,06

-365,85

-576,94

171,50

-271,41

-262,16

PUNTO

3

0,00

2,60

4

1,50

3,05

53,05

5

3,00

3,50

340,38

-176,85

6

4,50

3,05

172,05

-271,29

261,73

-365,85

576,94

-657,74

184,04

-53,06

7

6,00

2,60

-480,06

8

6,00

1,30

-240,03

-657,74

184,04

9

6,00

0,00

0,00

-657,74

184,04

2.2.2.3 CARGA HORIZONTAL DE VIENTO UNIFORMEMENTE REPARTIDA

Actúa horizontalmente sobre la cubierta y se asume constante entre la separación de pórticos.

w



90

Kgf m

Fig. N° 2.13 Carga de Viento.

CARGA DE VIENTO - ANÁLISIS DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES

Fig. N° 2.14 Diagrama de Carga Axial.




Fig. N° 2.16 Diagrama de Momentos.

Tabla. N° 2.7

Valores con Carga de Viento

TABLA DE VALORES CON CARGA DE VIENTO X

Z

Mx

Nx

Qx

[m]

[m]

[Kgf*m]

[Kgf]

[Kgf]

1

0,00

0,00

0,00

45,77

47,01

2

0,00

1,30

-61,11

45,77

47,01

-122,22

45,77

47,01

122,22

58,18

30,34

64,41

15,07

43,27

-28,07

56,22

-54,38

31,47

-54,38

31,47

-54,38

31,47

-45,77

43,05

PUNTO

3

0,00

2,60

4

1,50

3,05

5

3,00

3,50

-13,33

6

4,50

3,03

-62,60

7

6,00

2,60

-111,93

8

6,00

1,30

-55,96

-45,77

43,05

9

6,00

0,00

0,00

-45,77

43,05

2.2.2.4 COMBINACIÓN DE CARGAS

Se ha considerado una combinación, debido a las cargas muertas, cargas vivas y cargas de viento, el resultado se presenta en la tabla N° 2.8 y figuras 2.17, 2.18, 2.19 y 2.20.

Fig. N° 2.17

Combinación de Cargas

COMBINACIÓN DE CARGAS - ANÁLISIS DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES

Fig. N° 2.18 Diagrama de Cargas Axiales.




Fig. N° 2.20 Diagrama de Momentos. Tabla. N° 2.8

Valores para Combinación de Cargas

TABLA DE VALORES PARA COMBINACIÓN DE CARGAS X

Z

Mx

Nx

Qx

[m]

[m]

[Kgf*m]

[Kgf]

[Kgf]

1

0,00

0,00

0,00

867,24

209,29

2

0,00

1,30

272,07

867,24

209,29

544,15

867,24

209,29

544,15

449,65

770,51

302,47

361,67

320,63

273,55

129,86

299,86

105,11

431,00

394,78

562,21

832,32

958,78

298,75

PUNTO

3

0,00

2,60

4

1,50

3,05

5

3,00

3,50

459,16

6

4,50

3,05

176,22

7

6,00

2,60

778,30

8

6,00

1,30

389,14

958,78

298,75

9

6,00

0,00

0,00

958,78

298,75

2.2.3 DISEÑO PRELIMINAR DE LA COLUMNA Y VIGA

Mediante las combinaciones críticas de carga de la tabla N° 2.8 se puede hacer un diseño simplificado a fin de estimar las secciones tanto de la columna como de la viga para esto se toma en cuenta solo las cargas axiales y momentos máximos que actúan en dichos miembros.

2.2.3.1 COLUMNA

En el punto tres de la columna

Mmax = MCMuerta + MCViva + MCViento

Ecuación (2.4)

Mmax = 186,31 Kgf.m + 480,06 Kgf.m + 111,93 Kgf.m Mmax = 778,30 Kgf.m Mmax = 67553,45 lbf.pulg

Nmax = NCMuerta + NCViva + NCViento

Ecuación (2.5)

Nmax = 255,27 Kgf + 657,74 Kgf + 45,77 Kgf Nmax = 958,78 Kgf Nmax = 2113,74 lbf

Según la sección I asumida para la columna de acero ASTM A-36

Las dimensiones: Patín

=

12 cm x 0,4 cm

Alma

=

20 cm x 0,4 cm

Y propiedades: A

= 17,28 cm2

=

2,678 pulg2

Sx

= 115,8 cm3

=

7,066 pulg3

ry

=

=

1,015 pulg

2,58 cm

Esfuerzo a compresión:

P

fa



fa



fa



Ecuación (2.6 )

A

2113.74lbf 2.678 pu lg 2

0.7892 Ksi

La relación de esbeltez de la columna es:

K .l r

1.6 x 2.60m 

K .l r



0.0258m

161.24

Donde:

K: se asume el valor aproximado de 1.6 que corresponde a una condición en los extremos en el que uno tiene rotación y traslación fijas y otro una condición intermedia entre articulación y junta rígida con traslación libre. l: longitud efectiva de la columna r: radio de giro mínimo

Esfuerzo permisible a compresión:

Fa



5.74ksi

Del manual de la A.I.S.C. Tabla 3-36

Sin embargo el esfuerzo permisible debe reducirse debido a que los elementos de placa puedan no ser completamente efectivas por su esbeltez (b/t), asumiendo un factor de reducción de 0.9 se tiene:

Fa´

0.9 xFa

Fa´

0.9 x5.74ksi

Fa´

5.166ksi







Ecuación (2.7)

Entonces:

fa

0.786 Ksi 

Fa

5.166 Ksi

fa Fa

fa Fa





0.152

0.15



0.15

Esfuerzo a flexión en la columna:

M

fb



fb



fb



max

S

67553.45lbf . pu lg 7.066 pu lg3

9.560ksi

Ecuación (2.8)

Esfuerzos permisibles a flexión:

Despreciando la posible reducción en los esfuerzos permisibles a flexión por los elementos de placa esbeltos.

Fb

A.I.S.C. 1.5.1.4.4



0.6 Fy

Fb



0.6(36000)

Fb



Ecuación (2.9)

21.6ksi

Entonces: fb Fb

9.560 Ksi 

fb Fb

Como

fa Fa



0.15



21.6 Ksi

0.442

usando, la relación de la A.I.S.C. 1.6-2

combinados se tiene:

fa Fa



fb Fb

1

0.15  0.442 0.592  1

1

La sección es satisfactoria.

O.K.

para esfuerzos

2.2.3.2 VIGA

M max = 778,30 kgf.m M max = 67553,45 lbf.pulg

N max = NCMuerta + NCViva + NCViento N max = 141,98 Kgf + 365,85 Kgf + 54,38 Kgf N max = 562,21 Kgf N max = 1239,46 lbf

Según se asumió una sección I para la viga ASTM A-36 Dimensiones: Patín

= 12 cm x 0,4 cm

Alma

=

20 cm x 0,4 cm

Propiedades: A

= 17,28 cm2

=

2,678 pulg2

Sx

= 115,8 cm3

=

7,066 pulg2

ry

=

2,58 cm

=

1,015 pulg

rx

=

8.19 cm

=

3,224 pulg

Esfuerzo a compresión:

fa

P 

A

1239.46lbf

fa



fa



2

2.678 pulf

0.4628 Ksi

Esfuerzo permisible a compresión: La relación de esbeltez de la viga es:

K .l

1.5 x3.13m 

r K .l



r Fa



0.0819 m

57.32

De la tabla 3-36 del anual de la A.I.S.C.

17.56ksi

Considerando un factor de reducción de esfuerzo de 0.9

Fa´

0.9 xFa

Fa´

0.9 x17.56ksi





Fa´ 15.80 Ksi 

Entonces:

fa Fa fa Fa

0.4628 Ksi 



15.80 Ksi

0.02929



0.15

Esfuerzo a flexión:

M

fb



fb



fb



max

S 67553.45lbf . pu lg 7.066 pu lg2 9.560ksi

Esfuerzos permisibles a flexión:

Fb



0.6 Fy

Fb



0.6(36000)

Fb



21.6ksi

Entonces:

fb Fb

9.560 Ksi 

fb Fb



21.6 Ksi

0.442

Como

fa Fa



0.15

, usando la relación de esfuerzos combinados

fa Fa



fb Fb

1

0.02929  0.442

0.471  1

1

Ok

Sección satisfactoria.

2.3 ANÁLISIS Y DISEÑO DEFINITIVO

Para el análisis y diseño definitivo se ha establecido las dimensiones básicas, forma, geometría del pórtico y las secciones definitivas a lo largo del mismo, como se describe seguidamente:

Luz del pórtico entre ejes

= 5,80 m

Separación entre pórticos

= 3,00 m

Altura de la columna

=

Altura de la cubierta

= 0,90 m

2,60 m

Las anteriores dimensiones son las medidas entre ejes. La luz con relación al cálculo preliminar tiene una ligera variación pues una medición más exacta en el sitio y la conveniencia de tomar en cuenta las variaciones que existe entre los diferentes pares de columnas determinan este valor.

La forma general del pórtico se designa como una estructura a dos aguas compuesta de: viga, columna y cartelas. La viga es constante en el centro con una variación en sus dos extremos acartelados y tiene perforaciones en el alma. La columna es constante y una variación en la cabeza acartelada.

La forma general y la variación de la sección asumidos para el pórtico responden a razones estéticas, facilidad constructiva y la forma como varían los momentos y axiales a lo largo del pórtico.

El esquema completo, la variación de sección y las secciones especificadas del pórtico pueden verse en las figuras N° 2.21, N° 2.22, la tabla N° 2.9 y los planos de conjunto y detalle.

Tabla N° 2.9 Dimensiones y Propiedades del Diseño Definitivo. PÓRTICO

SECCIÓN

COLUMNA

A-A B-B C-C D-D E-E F-F G-G

VIGA

DIMENSIONES h ta b Tp cm cm cm cm 20 0,4 10 0,4 20 0,4 10 0,4 36,5 0,4 10 0,4 20 0,4 10 0,4 20 0,4 10 0,4 26 0,4 10 0,4 20 0,4 10 0,4

A cm2 15,68 15,68 22,28 15,68 15,68 18,08 11,2

PROPIEDADES Ix Iy rx 4 4 cm cm cm 1004 66,77 8 1004 66,77 8 4123 66,86 13,6 1004 66,77 8 1004 66,77 8 1844 66,8 10,1 973,9 36,6 9,3

ry cm 2,06 2,06 1,73 2,06 2,06 1,92 1,81

Sx cm3 100,4 100,4 225,9 100,4 100,4 141,9 93,64

Perfil de alma llena

Perfil de alma perforada

Fig. N° 2.21 Sección para el pórtico

Fig. N° 2.22 Dimensiones de la estructura

2.3.1 CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA MEDIO DE LA VIGA

La viga tiene una perforación en el alma como se observa en la figura N° 2.23 y las propiedades en la tabla 2.10.

Fig. N° 2.23 Referencia para el Momento de Inercia medio de la viga

Donde:

I

= 919,18 cm4

Alma perforada



Alma llena



= 1004 cm4

n = # espacios

l1

= 12,0 cm

n1 = 9

l2

= 14,2 cm

n2 = 8

l3

= 52,0 cm

n3 = 1

l4

= 30,0 cm

n4 = 1

 n xl xI   n2 xl 2 xI 2   n3 xl 3 xI 2   n4 xl 4 xI 2    1 1 1  l  

I x

I y



973,87cm



36,59cm

4

4

Tabla N° 2.10 Dimensiones y propiedades de la viga media sección G - G.

DIMENSIONES h ta b tp A cm cm cm cm cm 20 0,4

10

PROPIEDADES Ix Iy rx ry cm cm cm cm

Sx cm

0,4 11,2 973,87 36,59 9,32 1,81 93,64

2.3.2 CARGAS

Puesto que están definidas las secciones definitivas, se pueden estimar mejor las cargas.



Cargas muertas reales

Kgf/m Cubierta

Pórtico

(4,80)(3,00)(6,072) 



5,80

(16,7)(6,072)  (34,24)(2,6)(7880.00 x10

L arg ueros

6



)

5,80

(4,95)(3,00)(15,00) 

Instalacio nes

5,80

(5,00)(3,00)(11,46) 

6,00

Rigidizadores  arriostram iento



0,15(25,90)

Total de carg as mu ertas.

=

15,00

=

25,90

=

38,41

=

15,70

=

3,90

= 98,90 Kg f/m



Cargas vivas

= (70,00)(3,00)

= 210,00 kgf/m



Cargas de viento

= (30,00)(3,00)

= 90,00 kgf/m

2.3.3 REACCIONES, CORTANTES, AXIALES Y MOMENTOS

CARGA MUERTA

Fig. N° 2.24 Reacción de Carga Muerta

CARGA VIVA

Fig. N° 2.25 Reacción de Carga Viva

CARGA DE VIENTO

Fig. N° 2.26 Reacción de Carga de Viento 2.3.3.1 ANÁLISIS DE CARGAS VERTICALES DEL PÓRTICO

CARGA MUERTA




Fig. N° 2.28 Diagrama de Fuerza Cortante


Fig. N° 2.29 Diagrama de Momentos. Tabla N° 2.11 Valores con carga muerta

TABLA DE VALORES CON CARGA MUERTA X

Z

Mx

Nx

Qx

[m]

[m]

[Kgf*m]

[Kgf]

[Kgf]

1

0,00

0,00

0,00

-300,30

-81,08

2

0,00

1,30

105,41

-300,30

-81,08

210,82

-300,30

-81,08

-210,82

-166,45

-262,78 -119,37

PUNTO

3

0,00

2,60

4

1,45

3,05

77,06

-121,94

5

2,90

3,50

151,65

-77,44

6

4,35

3,05

77,06

-121,94

119,37

7

5,80

2,60

-210,82

-166,45

262,78

-300,30

81,08

8

5,80

1,30

-105,41

-300,30

81,08

9

5,80

0,00

0,00

-300,30

81,08

24,03 -24,03

2.3.3.2 ANÁLISIS DE CARGA VERTICAL VIVA DEL PÓRTICO DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES





Fig. N° 2.32 Diagrama de Momentos Tabla N° 2.12

Valores con Carga Viva

TABLA DE VALORES CON CARGA VIVA X

Z

Mx

Nx

Qx

[m]

[m]

[Kgf*m]

[Kgf]

[Kgf]

1

0,00

0,00

0,00

-637,65

-172,17

2

0,00

1,30

223,82

-637,65

-172,17

447,64

-637,65

-172,17

-447,64

-353,43

-557,97

163,62

-258,93

-253,47

PUNTO

3

0,00

2,60

4

1,45

3,05

51,03

5

2,90

3,50

322,01

-164,43

6

4,35

3,05

163,10

-258,93

253,47

-353,43

557,97

-637,65

172,17

-51,03

7

5,80

2,60

-447,64

8

5,80

1,30

-223,82

-637,65

172,17

9

5,80

0,00

0,00

-637,65

172,17

2.3.3.3

ANÁLISIS DE CARGA HORIZONTAL EN LA CUBIERTA CARGA DE VIENTO






Fig. N° 2.35 Diagrama de Momentos

Tabla N° 2.13 Valores con Carga de Viento

TABLA DE VALORES CON CARGA DE VIENTO X

Z

Mx

Nx

Qx

[m]

[m]

[Kgf*m]

[Kgf]

[Kgf]

1

0,00

0,00

0,00

47,32

46,70

2

0,00

1,30

-61,06

47,32

46,70

3

0,00

2,60

-122,12

47,32

46,70

122,12

58,88

31,28

4

1,45

3,05

64,30

15,91

44,62

5

2,90

3,50

-13,36

-27,07

57,96

-55,13

32,45

6

4,35

3,05

-62,62

-55,13

32,45

7

5,80

2,60

-111,88

-55,13

32,45

-47,33

43,03

8

5,80

1,30

-55,94

-47,33

43,03

9

5,80

0,00

0,00

-47,33

43,03

PUNTO

2.3.3.4 ANÁLISIS DE COMBINACIÓN DE CARGAS




Fig. N° 2.37

Diagrama de Esfuerzo Cortante


Fig. N° 2.38 Diagrama de Momentos Tabla N° 2.14 Valores para combinación de Cargas

TABLA DE VALORES PARA COMBINACIÓN DE CARGAS X

Z

Mx

Nx

Qx

[m]

[m]

[Kgf*m]

[Kgf]

[Kgf]

1

0,00

0,00

0,00

890,63

206,28

2

0,00

1,30

268,17

890,63

206,28

3

0,00

2,60

536,34

890,63

206,28

464,33

789,47

4

1,45

3,05

304,98

364,96

328,22

5

2,90

3,50

460,30

26894

133,02

297

42,61

6

4,35

3,05

178,06

436

405,29

7

5,80

2,60

770,34

575,01

853,20

985,28

296,28

8

5,80

1,30

385,17

985,28

296,28

9

5,80

0,00

0,00

985,28

296,28

PUNTO

2.3.4 DISEÑO DEL PÓRTICO

El procedimiento seguido para el diseño de la columna y la viga del pórtico en líneas generales es el siguiente:

Primero se determinan las relaciones de esbeltez ancho a espesor (b/t) de los diferentes elementos de placa que conforman el pórtico y se comparan con las relaciones limites (b/t)

lim,

dadas por el manual de la A.I.S.C. Esto se debe a

que, al haber armado el pórtico con elementos de placa estos pueden ser demasiado esbeltos y presentar el fenómeno de pandeo local. Cuando esto ocurre la resistencia de los elementos según diferentes estados de carga se ve disminuida.

Segundo se determinan los esfuerzos permisibles a diferentes estados de carga y sus combinaciones, de ser el caso se los reduce por factores que toman en cuenta el grado de pérdida en la resistencia debido a la esbeltez de las placas.

Finalmente se determinan los esfuerzos a que están sometidos los diferentes elementos del pórtico de manera que éstos sean menores o iguales que los esfuerzos permisibles.

2.3.4.1 DISEÑO DE LA COLUMNA

En la figura N° 2.39 y la tabla N°2.15 se presentan las cargas, dimensiones y propiedades para las secciones a la que se hace referencia en el diseño de la columna. Las cargas Mx, Nx y Qx de la tabla son las críticas.

Fig. N° 2.39 Columna metálica

Tabla N° 2.15 Cargas, dimensiones y propiedades de la columna

CARGAS SECCIÓN

A-A B-B C – C

M Nx Kgf.m Kgf 0,0 985,2 548,5 985,2 770,3 985,2

Qx Kgf 296,2 296,2 853,2

DIMENSIONES H Cm 20,0 20,0 36,5

ta cm 0,4 0,4 0,4

b cm 10,0 10,0 10,0

tp cm 0,4 0,4 0,4

PROPIEDADES A Ix Iy rx ry Sx 2 4 4 cm cm cm cm cm cm3 15,7 1004,0 66,7 8,0 2,06 100,4 15,7 1004,0 66,7 8,0 2,06 100,4 22,3 4123,0 66,9 13,6 1,73 225,9

2.3.4.2

LONGITUDES NO ARRIOSTRADAS

Longitud en el plano del alma.

Lx = 260 cm

Perpendicular al alma.

Ly = 260 cm

2.3.4.3

LONGITUDES EFECTIVAS

Ky = 1

se considera doblemente articulada.

Kx

depende de la rigidez de la columna y la viga, las longitudes y condiciones relativas a la libertad de los desplazamientos y gir o de los apoyos.

Con GB = 10

valor recomendado por la A.I.S.C. para columnas con Condiciones articuladas, valor al pie de la columna.

Y G A

G A

G A

 Ic

Lc Ig  Lg



Ecuación (2.10)

I 1 . L2 

I 2 . L1

1.004 x10

5





9.7387 x10



m 6

4

m

4

X

6.072m 2.6m

G A = 2.40

K = 2.18

Del monograma para K (A.I.S.C.)

Entonces:

KLx =

2.18

x 2.6 =

5.7 m

KLy =

1.0

x 2.6 =

2.6 m

2.3.4.4 ESFUERZOS PERMISIBLES A COMPRESIÓN

RELACIÓN DE ESBELTEZ DE LAS PLACAS

Patín

Relación de esbeltez del patín en la base y cabeza de la columna b = 10 / 2;

b t

t = 0.4.

5.00cm 

0.4cm



12.5

 b   t 

Relación de esbeltez máxima    b     t   b     t   b     t 

= max

= max

=

95

Fy 95 36

15.8

A.I.S.C. 1.9.1.2 max

Ecuación (2.11)

Como:

12.5



15.8

El patín plenamente efectivo no requiere de



reducción de esfuerzos permisibles debido a la esbeltez de la placa.

ALMA

Relación de esbeltez del alma en la:

Sección:

A – A y B – B

d t

Sección:

=

20

=

0 .4

50

C – C

d t

=

36.5 0.4

=

91.25

Relación máxima del alma

 d     t   d     t   d     t 

 d     t 

A.I.S.C. 1.9.2.2 max

253

=

Ecuación (2.12)

Fy

max

253

=

36

max

=

42.2

max

Como:

50



42.2

91.25



42.2



El alma no es plenamente efectiva para compresión axial y compresión a flexión en el patín, se debe reducir los esfuerzos permisibles correspondientes.

REDUCCION DE ESFUERZOS PERMISIBLES

En la base de la columna

Peralte efectivo del alma

(Sección

A-A)

   253 44.3   1 de   d   d f  f   t 

AISC Apéndice C: C3

con:

f

= 0.6 Qs (Fy)

Qs = 1 Patín plenamente efectivo f = 0.6 Qs ( Fy ) f = 0.6 x 1 x 36 f = 21.6 Ksi

 0.4   2 . 54   1  44.3   d  50 21.6  21.6  

253

de



de



de



6.938 pu lg 17.62cm

Área efectiva de la columna en la base

Ae

Ae



2 x10 x0.4  17.62x0.4 



15.048cm

2

AISC Apéndice C

Factor:

Qa

Ae 

At 15.048cm

Qa



Qa



15.68cm

AISC Apéndice C: C4

Ecuación (2.13)

AISC

Ecuación (2.14)

2

2

0.96

  E 2

C ´c

C ' c

2  



QsQa  Fy 

Apéndice C: C5

130.6

ESFUERZO PERMISIBLE A COMPRESIÓN

  Kl 2      r QsQa 1   2  Fy  2C ' c      Fa  3  Kl   Kl         5 3 r     r  3    3 8  C ' c   8C ' c         

Fa

REDUCIDO

AISC Apéndice C5 – 1

Ecuación (2.15)

Con:

Kl

1 x 260cm

=

ry Kl

2.06cm

2.18 x 260cm

=

rx

Kl

8.0cm

Kl

>

ry

rx

 126.22  10.961  36 2     2 130.6  Fa  3 5 3  126.2   126.2      3  3 8  130.6   8130.6  

Fa



9.6 Ksi

Para la Sección B - B se tiene:

de



Ae

2



Qa C ' c Fa

17.62cm

15.048cm 0.96







130.6

9.6 Ksi

= 126.2

=

70.9

Para la cabeza se tiene (Sección C - C):

de



Ae

2



Qa C ' c Fa

2.3.4.5

19.5cm

15.8cm 0.71







151.9

13.2 Ksi

ESFUERZOS PERMISIBLES A FLEXIÓN Fb

PATÍN

Tanto para la sección

A – A , B – B y C – C

A tensión

Fb = 0.6 Fy

A.I.S.C.

A compresión

Como: b

=

12.5

<

15.8

1.5.1.4.5.

Si: L

Lc



Fb = 0.6 Fy



AISC 1.5.1.4.5

L

= Longitud arriostrada

Lc

= Longitud crítica no arriostrada

Lc =

76bf

2b

Ecuación (2.16)

Fy

Donde: bf = ancho del patín Con: bf = 10 cm

 10   2 . 54  

76

Lc

=

36

Lc =

49.87 pulg

Lc =

126.7 cm

Como: L =

260 cm

>

126.7 cm

Si existe posibilidad de pandeo lateral torcional.

Fb



Fb

12 x10 

3



0.6 Fy

Cb

A.I.S.C.

ld Af

Donde:

= 260 cm

l

d = 20.8 cm Af = 0.4 cm x 10 cm = 4 cm2 Cb = 1.75 + 1.05 (M1/M2) + 0.3 (M1/M2)2 Cb = 1.75 + 1.05 (0/770.3) + 0.3 (0/770.3) 2 Cb = 1.75

  260cm x20.8cm 3

Fb

12 x10 1.75



4cm

Fb

Fb



15.53Ksi.



15.53 Ksi

0.6 Fy



21.6 Ksi

1.5.1.4.5a.

ALMA

RELACIÓN DE ESBELTEZ MÁXIMA  d     t   d     t 

14000

=

AISC 1.10.2

Fy Fy  16.5

max

=

Ecuación (2.17)

322

max

Como:  d     t   d     t   d     t 

=

50

=

50

=

91.25

<

322

Sección

A-A

<

322

Sección

B – B

<

322

Sección

C – C

max

max

Ok

max

REDUCCIÓN EN LOS ESFUERZOS A FLEXIÓN DEL PATÍN

Si:

 d     t 



>

 d     t lim

=

760

Fb

Se debe reducir los esfuerzos Fb en el patín

AISC 1.10.6

Con:

Fb = 15.5 Ksi

 d     t lim

=

 d     t 

=

50

 d     t 

=

91.25

760 15.5

=

193.0

193.0

<

193.0



Ok.

max

No se debe reducir los esfuerzos a flexión del patín para la esbeltez del alma tanto en la sección A – A, B – B, como en la sección C – C.

2.3.4.6

DISEÑO A FLEXIÓN Y COMPRESIÓN DEL PATÍN

En la sección B – B de la columna.

Esfuerzo a compresión.

fa

P 

A

2172.17lbf

fa



fa



2.429 pu lg 2 0.894 Ksi

Fa = 9.6 Ksi

fa Fa

Esfuerzo permisible previamente establecido

0.894 Ksi 





9.6 Ksi

fa Fa



0.09305

fb Fb

<

0.15

AISC 1.6.1.

1

Con:

Esfuerzos a flexión.

M

fb



fb



fb



S

47610.29lbf . pu lg 6.126 pu lg3 7.771 Ksi

fb Fb

7.771 Ksi 

fb 

Fb

15.53 Ksi

0.5

Usando la relación.

fa Fa

fb



<

Fb

0.09305 0.593

+

1 0.5

<

<

1

1

En la cabeza (sección C – C) de la columna

Esfuerzos de compresión

fa



0.629 Ksi

Fa = 6.8 Ksi

fa Fa



Esfuerzo permisible previamente establecido

0.629 Ksi 

6.8 Ksi

fa Fa





0.0925

fb Fb

1

<

0.15

AISC 1.6.1.

Con:

Esfuerzos a flexión.

fb



4.850 Ksi

Fb = 15.53 Ksi

fb 

0.31

Fb

Usando la relación.

fa Fa

0.0925

+



fb Fb

<

1

0.31

<

1

0.40

<

1

2.3.4.7

Fv =

Cv =

ESFUERZOS PERMISIBLES AL CORTANTE EN EL ALMA Fv

Fy

Cv

2.89



 

45000 K

 h 

2

0.4 Fy

AISC 1.10.5.2

Ecuación (2.18)

Si: Cv < 0.8

AISC 1.10.5.2

Ecuación (2.19)

Si: Cv > 0.8

AISC 1.10.5.2

Fy   t 

Cv =

190

K

 h  Fy    t 

Ecuación (2.20)

Con:

K

=

4

4.00

 a 

2

Si:

   h 

K

=

5.34 

4.00

 a     h 

2

Si:

a h

a h

<

1.0 AISC 1.10.5.2

> 1.0 AISC

1.10.5.2

Ecuación (2.21)

Ecuación (2.22)

Para: a = 260 cm h = 20 t =

cm

0.4 cm a = 2.6 m pues no se prevé el uso de atiesadores en el alma de la columna.

a h

260 



a

13

K =

Cv =

Fv =

5.34 

4.00

13

2

190

5.36

50

36

36 2.89

>

h

20





1.466

5.36

1.466



Fv = 0.4 Fy Fv =

0.4 (36)

Fv =

14.4

18.26

>

14.4

18.26Ksi

>

0.8

1

Como: Fv

>

14.4

Fv

=

14.4

CORTANTE PROMEDIO AL ALMA

Sección A – A

y

B – B de la columna.

Q

fv



fv



fv



fv



Ecuación (2.23)

A 296.28 Kgf 20cmx0.4cm

Kgf

37.035

cm2

0.527 Ksi



fv

<

Fv

0.527

<

14.4

En la cabeza (sección

fv

fv



0.831

Ok

C – C) de la columna.



fv

<

Fv

0.831

<

14.4

Ok

USO DE ATIESADORES INTERMEDIOS EN EL ALMA

No se requiere de atiesadores intermedios si:

d

<

t

260

Y

fv

<

Fv

AISC 1.10.5.3

Como:

Sección A - A Y B - B de la columna. d t

= 50

<

260

0.527 Ksi

<

14.4 Ksi

Sección C - C de la columna d t

= 91.25 0.831 Ksi



<

260 <

14.4 Ksi

No se necesitan colocar atiesadores intermedios en el alma de la columna

2.3.5

DISEÑO DE LA VIGA DEL PÓRTICO

El diseño de la viga es similar a la de la columna.

En la figura N° 2.40 y la tabla N° 2.16 se presentas las cargas máximas, dimensiones y propiedades de las secciones C – C, y G - G.

Fig. N° 2.40 Viga metálica

D – D,

E – E,

F – F

Tabla N° 2.16 Cargas, dimensiones y propiedades de la viga SECCIÓN C – C D – D E – E F – F G-G

2.3.5.1

CARGAS M Nx Kgf.m Kgf 770.3 985.3 440.9 527.2 477.9 281.7 460.3 296.9 461.4 323.8

Qx Kgf 853.2 728.9 71.8 133.0 231.2

DIMENSIONES h ta b tp cm cm cm cm 36.5 0.4 10 0.4 20.0 0.4 10 0.4 20.0 0.4 10 0.4 26.0 0.4 10 0.4 8.0 0.4 10 0.4

A cm2 22.3 15.7 15.7 18.1 11.2

PROPIEDADES Ix Iy rx ry 4 4 cm cm cm cm 4123 66.7 13.6 1.7 1004 66.8 8.0 2.1 1004 66.8 8.0 2.1 1844 66.8 10.1 1.9 974 36.6 9.3 1.8

Sx cm3 225.9 100.4 100.4 141.9 93.6

LONGITUDES NO ARRIOSTRADAS PARA LA VIGA

Longitud en el plano del alma

Lx = 3.036 m

Longitud perpendicular al plano (separación entre correas) Ly = 0.98 m Se supone que las correas dan soporte lateral.

LONGITUDES EFECTIVAS

Ky = 1

Kx = Depende de la rigidez de la viga – columna

GB =

1

Valor recomendado por la AISC

G A

=

G A

=

G A

=

Ig Lg  Ic Lc



Ecuación del Monograma de la AISC

IvxLc IcxLv

9.7387 x10 1.004 x10

G A

=

0.55

K

=

1.25

6

5

m

m

4

4

2.6m x

3.036



x1.5 m

Del monograma de la AISC

Entonces:

2.3.5.2

Klx

=

Klx

=

1.25 x 1

x

3.036

=

3.79 m

0.98

=

0.98 m

ESFUERZOS PERMISIBLES A COMPRESIÓN

RELACIÓN DE ESBELTEZ

La relación de esbeltez del patín y del alma se presentan en la siguiente tabla, si es o no efectivas en las secciones C – C, D – D, E – E, F – F y G – G.

Tabla N° 2.17 Relación de esbeltez

SECCI N

b/t PAT N AISC 1.9.1.2

d/t ALMA AISC 1.9.2.2

C – C D – D E – E F – F G-G

12.5 < 15.8 12.5 < 15.8 12.5 < 15.8 12.5 < 15.8 12.5 < 15.8 EFECTIVAS

91.3 > 42.2 50.0 > 42.2 50.0 > 42.2 65.0 > 42.2 20.0 < 42.2 NO EFECTIVAS

REDUCCIÓN DE LOS ESFUERZOS PERMISIBLES A COMPRESIÓN Fa

La relación de los esfuerzos en las secciones consideradas se resumen en la tabla.

Tabla N° 2.18 Valores de esfuerzos permisibles a compresión.

SECCIÓN C-C D-D E-E F-F G-G

d/t 91.3 50.0 50.0 65.0 20.0

de Ae Fa Ancho rea Qa C'c Ksi Efectivo Efectiva 19.5 15.8 0.71 151.9 13.2 17.6 15.1 0.96 130.6 17.9 17.6 15.1 0.96 130.6 17.9 18.5 15.4 0.85 138.8 15.9 11.4 12.6 1.12 120.9 19.9

Klx/rx Kly/ry 27.9 47.4 47.4 37.5 40.7

56.6 47.6 47.6 51.0 54.1

2.3.5.3

ESFUERZO PERMISIBLE A FLEXIÓN Fb

PATÍN

A TENSIÓN

Fb = 0.6 Fy

AISC 1.5.1.4.5

A COMPRESIÓN

Sección C – C, D – D, E – E, F – F y G - G.

Como:

b 

12.5

t

<

15.8

Si:

L



Lc



Fb

=

0.6 Fy

AISC 1.5.1.4.5. 2b

Longitud critica no arriostrada lateralmente

Lc

=

76bf

AISC

Fy

Para la sección C – C, D – D, E – E, F – F y G - G.

bf

=

10 cm

ancho del patín

Entonces: 776 x 10

2.54

Lc

=

Lc

=

49.86 pulg

Lc

=

126.7 cm

36

Como:

L = 0.98 m

<

Lc = 1.27 m



No existe la posibilidad de pandeo lateral torsional



Fb = 0.6 Fy Fb

21.6 Ksi

1.5.1.4.5. 2b

ALMA

RELACIÓN DE ESBELTEZ MÁXIMA Y REDUCCIÓN DE ESFUERZOS A LA FLEXIÓN DEL PATÍN

La relación de esbeltez máxima presentada por el manual de la AISC para el alma, la comprobación de esbeltez de las secciones C – C, D – D, E – E, F – F y G – G; la reducción de esfuerzos a flexión del patín se presenta en la siguiente tabla.

Tabla N° 2.19 Valores

2.3.5.4

(d/t)

SECCIÓN

(d/t)

(d/t) AISC 1.10.2

(d/t) AISC 1.10.16

C-C D-D E-E F-F G-G

91.3 < 50.0 < 50.0 < 65.0 < 20.0 <

322 322 322 322 322

193.0 193.0 193.0 193.0 193.0

DISEÑO A FLEXIÓN – COMPRESIÓN DEL PATÍN

Los esfuerzos a compresión en las diferentes secciones de la viga son:

Sección:

P

C - C

fa



D - D

fa



E - F

fa



F - F

fa



G - G

985.28 Kgf 

A

P

P

0.629 Ksi

15.68cm

2



0.478 Ksi

281.69 Kgf 

A

P

fa



527.23 Kgf 

A

A

2

22.28cm

15.68cm



0.256 Ksi



0.234 Ksi

2

296.99 Kgf 

P 

2

18.08cm

323.81 Kgf 

A

11.2cm

2



0.411 Ksi

Los resultados anteriores y la relación fa/Fa se presentan en la siguiente tabla

Tabla N° 2.20

Relación fa/Fa

SECCI N

fa

Fa

fa/Fa

C-C D-D E-E F-F G-G

0.629 0.478 0.256 0.234 0.524

13.2 17.9 17.9 15.9 19.9

0.0476 0.0274 0.0147 0.0147 0.0206

< < < < <

0.15 0.15 0.15 0.15 0.15

Esfuerzo de flexión

fb

M

y



S

Fb = 0.6 Fy

Los resultados anteriores y la relación fb/Fb se presentan en la siguiente tabla

Tabla N° 2.21 Relación fb/Fb

SECCI N

fb

Fb

fb/Fb

C-C D-D E-E F-F G-G

4.850 6.246 6.770 4.613 7.007

15.5 15.5 15.5 15.5 15.5

0.31 0.40 0.44 0.30 0.45

Usando la relación

fa Fa



fb Fb

< 1

Tabla N° 2.22 Usando la Relación fa/Fa + fb/Fb < 1 fa

fb

fa

SECCIÓN

Fa

Fb

Fa

C-C D-D E-E F-F G -G

0.0476 0.0267 0.0143 0.0147 0.0206

0.31 0.40 0.44 0.30 0.45



fb Fb

0.36 0.43 0.45 0.31 0.47

< < < < <

1 1 1 1 1

2.3.5.5 ESFUERZOS PERMISIBLES AL CORTANTE EN EL Fv

Fv =

Cv =

Fy 2.89

Cv



 

45000 K

 h 

0.4 Fy

Si:

2

AISC 1.10.5.2

Cv < 0.8

AISC

1.10.5.2

Fy   t 

CV =

190

K

Si:

 h  Fy    t 

CV

> 0.8

AISC 1.10.5.2

Con:

K

=

4

4.00

 a 

2

Si:

   h 

K

=

5.34 

4.00

 a     h 

2

Si:

a h

a h

<

1.0

> 1.0

AISC 1.10.5.2

AISC

1.10.5.2

Los esfuerzos permisibles al cortante en el alma Fv en las secciones consideradas se resumen en la tabla

Tabla N° 2.23 Valores de esfuerzos permisibles al cortante Fv


h

a t

h

91.3 50.0 50.0 65.0 20.0

2.7 4.9 4.9 3.8 12.3

K

Cv

Fv

5.9 5.5 5.5 5.6 5.4

0.85 1.49 1.49 1.15 3.70

10.59 18.56 18.56 14.32 46.10

0.4 Fy

Fv

14.4 14.4 14.4 14.4 14.4

10.6 14.4 14.4 14.3 14.4

< > > < >

a = 0.98 m (se utiliza atiesadores de apoyo debajo de cada larguero a distancia de 0.98 m)

CORTANTE PROMEDIO AL ALMA

fv

Los valores del cortante promedio al alma fv de las secciones consideradas se presentan en la tabla siguiente.

Tabla N° 2.24


fv

Q 

A

Valores del cortante promedio

Qx Kgf

Aa Cm

853.2 728.9 71.8 133.0 231.2

14.6 8.0 8.0 10.4 3.2

fv

fv <

Fv

Q 

Fv Ksi

A

Ksi 0.831 1.296 0.127 0.182 1.028

< < < < <

10.6 14.4 14.4 14.3 14.4

Ok Ok Ok Ok Ok

USO DE ATIESADORES INTERMEDIOS EN EL ALMA

No se requieren atiesadores intermedios

Si:  d     t 

<

260

y

fv <

Fv

Para las secciones consideradas se presenta en la siguiente tabla

Tabla N° 2.25 fv < Fv

SECCIÓN

d cm

t cm

C-C D-D E-E F-F G-G

36.5 20.0 20.0 26.0 8.0

0.4 0.4 0.4 0.4 0.4

 d     t 

<

260

fv Ksi

<

Fv Ksi

91.3 50.0 50.0 65.0 20.0

< < < < <

260 260 260 260 260

0.831 1.296 0.127 0.182 1.028

< < < < <

10.59 14.4 14.4 14.3 14.4

No es necesario colocar atiesadores.

2.3.6

DISEÑO DE LOS ATIESADORES DE APOYO

Se usarán dos atiesadores de apoyo en la viga, debajo de la ubicación de cada uno de los largueros.

Fig. N° 2.41

Posición y dimensión de los atiesadores.

Propiedades:

A

= (2)x(5)x(0.4)+(25)x(0.4)

A

= 14 cm2



=



=



=

2 3

3

1.10.5

Ecuación (2.24)

3

b t

2

AISC

5 0.4 3

33.3 cm4

Relación

b t

b t

=

=

b t

de atiesadores

5 0 .4

12.5

76 

<

A.I.S.C.

Fy

76 

12.7

36

1.9.1.2

Ok

ESFUERZOS PERMISIBLES A COMPRESIÓN

Fa

=

0.6 Fy

Fa

=

0.6 (36)

Fa

=

21.6 Ksi

Esfuerzo a compresión fa

fa

=

P A

Pmax =

(0.98)x(70+6.072+30)

Pmax =

311.8 Kgf

A.I.S.C.

1.5.1.3.4

311.8 Kgf

fa



fa



fa



12cm

2

Kgf

26

cm2

0.369 Ksi

fa

0.369

<

Fa <

21.6

Ok

2.3.7 DISEÑO DE LA PLACA BASE DE LAS COLUMNAS

Fig. N° 2.42 Nomenclatura de la placa base. Se asume: H

=

35.00 cm

y

B

=

25 cm

d

=

20.80 cm

y

b

=

10 cm

Con:

Las dimensiones de H Y B anteriores se asumen para permitir soldar tanto la sección de la columna como las varillas del plinto en la placa base.

El esfuerzo permis ible a flexión según las recomendaciones de la AISC es:

Fb = 0.75 Fy

Para el acero ASTM A-36

Fb = 0.75 (36000) Fb =

27000 Psi Kgf

Fb = 1902.28

cm 2

El esfuerzo permisible en el concreto po r aplastamiento es Fc = 0.25f’c. [4] Para un concreto

f’c

=

210

Kgf cm 2

; se asume este valor ya que es la

resistencia que se logra con el proporcionamiento más común del concreto.

Fc

=

0.25 (210)

Fc

=

52.50

Kgf cm 2

El esfuerzo aplicado sobre el concreto es:

Fc

=

Fc

=

Fc

=

P A

853.2 Kgf

35cm x25cm Kgf

0.975

cm2

Entonces

fc

<

Fc

0.975

<

52.5

Ok

Para el diseño de la placa base se supone que está sometido a un esfuerzo uniforme, que se comporta como una viga en cantilever fija en los bordes de un cuadrado limitado por las dimensiones 0.95 d y 0.8b.

Valores de m y n en la placa base

m = m = m =

1 2 1 2

 H  0.95 xd 

35  0.9520.80

7.62cm

Ecuación (2.25)

n = n = n =

1 2 1 2

 B  0.80b

Ecuación (2.26)

25  0.8010

8.5cm

Momentos sobre la placa

 

W L

M =

2

2

Ecuación (2.27)

x1

L

es igual a m para el momento M1

L

es igual a n para el momento M2.

M1 =

M1 =

M2 =

M2 =



0.975 7.62



2

2

28.3 Kgf.cm

 

0.975 8.5

2

2

35.2 Kgf.cm

M2

>

M1

y

Esfuerzo a flexión en la placa

fb

fb

Fb



M 

S

2

S

bt 

6

en la placa debe cumplirse fb



Fb

Donde:

t =

t =

6 M

Ecuación (2.28)

 

Fb b



 1902.21 6 x 35.2

t = 0.33

Se usará 0.4 cm

Se usará una placa de 35 cm x 25 cm, con un espesor de 0.4cm.

2.3.8

DISEÑO DE LARGUEROS

El diseño de los largueros se simplifica, suponiendo como una viga continua sobre tres apoyos sometidos a una carga vertical uniformemente distribuida debido a las cargas muertas y vivas como se observa en la figura.

Fig. N° 2.43 Esquema del larguero

De acuerdo al código de la AISC cuando los largueros están sometidos a carga en un solo sentido se aplica la siguiente condición.

fb



Fb

Donde:

fb

M 

Ecuación (2.29)

S 3

fb

12 x10 

Cb 

Ld Af

donde:

L = distancia entre secciones no arriostradas en los largueros d = peralte del larguero Af = área del patín del larguero Cb = constante que depende de la variación del momento

Cb = 1.75 + 1.05 x ( M 1 M 2 ) + 0.3 x ( M 1 M 2 )2



2.30

AISC 1.5.7

2.3.8.1 DETERMINACIÓN DE CARGAS



Cargas muertas 4.8

Kgf

Peso de la cubierta

=

Peso del larguero

= 4.95 = 70

m

2

Carga viva



Carga total por metro =

=

Kgf

m

2

14.11 Kgf

Perfil G 100x50x15x3

m

Kgf



(0.98)x(3) m2

(0.98)x(3) m2

14.11  205.8 Kgf 3m

=



Kgf

4.95

m

205.8 Kgf

= 78.3

Kgf m

Considerando para el análisis, al larguero como viga continúa sobre tres apoyos se puede determinar el momento máximo

L

=

3m

d

=

10 cm

Af

=

(5cm x 0.3 cm)

Fig. 2.44.

= 118.11 pulg

Fig. N° 2.44

=

3.93 pulg

= 1.50 cm2

= 0.23 pulg2

Esquema del diagrama de momento para una viga continúa sobre tres apoyos

Para el tramo A – B

2

M max

WL 

Ecuación (2.30)

8

Kgf

78.3

M max



M max



m

3m

2

8 88.0875 Kkf .m

S = 19.60 cm3

Perfil

G 100x50x15x3

8808.75 Kgf .m

fb



fb



fb



3

19.60cm

449.426

Kgf cm2

6.395 Ksi

Para Fb

Con: Cb = 1.75 + 1.05 ( M 1 M 2 ) + 0.3 ( M 1 M 2 )2 M1

=

M2

=

Cb

=

0 1

w L2

8

1.75

12 x10

3

Cb

Fb

=

Fb

= 10.4 Ksi

Ecuación (2.32)

Ld Af

fb 6.39

Ecuación (.31)



<

Fb 10.4

Ok

2.3.9

UNIONES SOLDADAS

2.3.9.1 COLUMNA A PLACA BASE

Carga cortante máxima

Qx = 206.28 Kgf

ESFUERZO PERMISIBLE EN LA SOLDADURA

Para filetes el menor de:

1.- Fv = 0.3 Ft

Para el metal de soldadura

2.- Fv = 0.4 Fy

Con

Fv

E-7018

=

Sobre el metal base

y

0.3 (70)

Fv = 21.00 Ksi

Fv

=

Fv =



Fv

0.4 (36) 14.40 Ksi

= 14.4 ksi

Acero ASTM A-36

y

A.I.S.C. 1.5.3

Ecuación (2.33) Ecuación (2.34)

TAMAÑO MÍNIMO DE FILETE

Para:

e = 0.4 tmin =

y

3 16

e = 0.4 cm =

pu lg

Se usará

4.8 mm

A.I.S.C.

1.17.2

t = 5.00 mm

LONGITUD DE FILETE NECESARIO

Con: fv

Q 

Ecuación (2.35)

A

A = L (0.707) t

fv

206.28 Kgf 

L0.3535cm

fv



2

Fv

Fv

=

14.4 Ksi

Fv

=

1015

Kgf cm 2

L =

206.28 1015(0.3535)

L = 0.57 cm

Se soldara L = 10 + 10 + 20 = 30 cm

2.3.9.2

>

0.57 cm

Ok

UNIÓN DE LA PLACA A LAS VARILLAS DE ANCLAJE

Esfuerzo permisible al cortante

Fv =

0.4 Fy

Fv =

0.4 (2400)

Fv =

960

A.I.S.C.

1.5.1.2.

Kgf cm 2

Área unitaria de cada varilla

Au =

 2 4

Ecuación (2.36)

Área total

At

=

Au (n)

Ecuación (2.37)

Donde:

n = es el número de varillas

fv

<

Fv

=

Fv

P

( Au ) n

Ecuación (2.38) n

=

P

Ecuación (2.39)

( Au ) Fv

Las varillas de anclaje son de  12 mm

Au =

(1.2cm) 2  4

Au = 1.13 cm2

Número de varillas n =

n=

P Fv( Au )

853.28 960(1.13)

0.786

Ecuación (2.40)

Se usarán 4 varillas para soldar la placa base

4 > 0.786

Ok

Fig. N° 2.45 Ubicación del perfil en la placa base y varillas.

Fig. N° 2.46

Esquema de la soldadura de las varillas a la placa base.

2.3.9.3

JUNTAS PATÍN – PATÍN

Se usarán soldaduras de ranura de penetración total en todas las secciones necesarias

Fig. N° 2.47 Esquema de la soldadura de las juntas patín – patín.

En la sección C - C Mmax = 770.34 Kgf.m Nmax = 985.28 Kgf

Esfuerzos a tensión y a compresión

ft

o

P

fa



fa



fa



A 985.28 22.3

44.18

Kgf cm 2

Esfuerzo por flexión

M

fb



fb



fb



S 770.34 225.9 341.0

x(100)

Kgf cm 2

Esfuerzo total

f

=

ft + fb

f =

44.18 + 341.0

f

385.18

=

Kgf cm

2

Esfuerzos permisibles

Para soldaduras de penetración total, tensión o compresión normal al área efectiva, el esfuerzo permisible es igual al metal base

Ft =

0.6 Fy

Ft =

1522

Kgf cm 2

385.18

<

1522

AISC

1.5.3

Con otras secciones y cargas a compresión, puesto que los esfuerzos permisibles en la soldadura son igual al metal base, se cumple que.

2.3.9.4

ft

<

Ft

Ok

fa

<

Fa Ok.

y

JUNTAS ALMA - ALMA

Se usará soldadura de penetración total para todas las juntas

alma - alma

necesariamente.

Fig. N° 2.48 Junta alma – alma.

Los esfuerzos en el alma son menores que los esfuerzos del patín, sea para esfuerzos a tensión como para compresión.

Esfuerzos permisibles para ranura de penetración total

Los esfuerzos permisibles a tensión y compresión en la soldadura son igual al metal base

AISC 1.5.3

ft

<

Ft

Ok

fa

<

Fa Ok.

y

Los esfuerzos en el alma para cortante son pequeños

fv

2.3.9.5

<

Fv

Ok

JUNTAS PATÍN - ALMA

Se usará filete alternados para la unión del patín con el alma ( Fig. 2.52)

Sección en la base de la columna (A - A)

Fig. N° 2.49 Junta patín – alma

Filete mínimo

t = 0.47 cm

Se usará

t = 0.5 cm

A.I.S.C. 1.17.2

Esfuerzos permisibles:

Fv = 14.4 ksi Fv

=

1014.8

Kgf cm 2

Flujo cortante en la unión del alma al patín

q

QJ

Ecuación (2.41)



I

Donde: Q = cortante J

= A (Y)

I

= momento de inercia  20   0.4   2 

J = ( 10 x 0.4) x  J = 41.6 cm3

Con: Qmax = 206.28 Kgf 206.28 x(41.6)

q



q



1004 8.5

Kgf cm

Flujo cortante admisible

Ecuación (2.42)

qadm



Fv(0.707)t

qadm



1014.8 x(0.707) x0.5

qadm



355.18

Kgf cm

8.5

<

355.18

Ok

Para otras secciones, los cortantes Qx son menores al crítico, se usarán filete de t = 0.5 cm a lo largo de la columna y de la viga.

CAPÍTULO III

FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LA ESTRUCTURA

3.1

INTRODUCCIÓN

La construcción y montaje de una estructura metálica en los tiempos actuales así como todas sus directrices técnicas tienen un solo objetivo, y es el de reducir al máximo los riesgos imprevisibles cuyo efecto es directo en los altos costos envueltos en la obra. Esto crea la necesidad de cumplir con los plazos previstos en el cronograma – meta inicial, determinando así la mayor importancia de los mecanismos de de planificación.

Este estudio enfoca la técnica de ampliar la planificación para coordinar las diferentes actividades de la obra; y controlar la ejecución conforme a diseños, especificaciones y planos elaborados certificados del proyecto, materiales, equipos y todos los medios necesarios para la ejecución de los trabajos dentro de los plazos programados.

151

3.2 FLUJO-GRAMA GENERAL DE LA FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LA ESTRUCTURA

El proceso de fabricación y montaje en las actividades industriales para el tipo de construcciones estructurales se les representan por medio de un flujo-grama, el mismo que es utilizado por casi todas las compañías y profesionales constructores.

Este proceso es sumamente importante para la culminación ideal de los proyectos industriales. El elaborar un flujo-grama correcto es de mucha ayuda para la optimización de recursos: humanos, tecnológicos y económicos, así como el recurso tiempo.

La simbología utilizada en el flujo-grama elaborado para la construcción de la Estructura Metálica para el Bar de la Facultad de Ingeniería Mecánica se indica a continuación.

Almacenamiento

Transporte

Actividad a ralizar

Inspección

152

FLUJO-GRAMA DETALLADO DE FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LA ESTRUCTURA METÁLICA Recepción materiales Descarga materiales Inspección materiales Transporte a almacenaje temporal

ALMAS DE COLUMNA Y VIGA

PATINES DE COLUMNA Y VIGA

RIGIDIZADORES

PLACA BASE

LARGUEROS

Almacenamiento temporal





Transporte al sitio de corte





Corte

Corte

Corte

Corte

Corte

Inspección de corte





Transporte al sitio de prearmado



Transporte al sitio de suelda en columnas


Prearmado

Sulda en columnas

Pintura

Transporte a soldadura de los pórticos

Transporte al sitio de montaje de pórticos

Transporte al sitio de montaje

Soldadura a los pórticos Inspección de suelda Transporte al sitio de pintura

Pintura

Transporte al montaje Montaje de los pórticos Montaje de los largueros Inspección de montaje soldadura final de todo el pórtico Pintura final de todo el pórtico Inspección final

153

Para el proceso de fabricación es necesario distribuir técnicamente las áreas y los espacios disponibles de acuerdo a las necesidades y volúmenes de las piezas o partes a ensamblarse.

En el caso del bar, se hizo en una empresa de estructuras metálicas, donde facilitó para la distribución de las actividades que interviene en el proceso constructivo (Fig. N°3.1).

ARMADO

SULDA

CORTE

PINTURA

ALMACENAMIENTO

DESPACHO

Fig. N° 3.1 Distribución de actividades

3.3

3.3.1

FABRICACIÓN

TRAZADO

Para realizar un correcto trazado lo que se necesita es tener las coordenadas en los ejes X y Y, con las que se dibujo en el plano y poder realizar las plantillas de las sesiones que conforman el alma.

154

Pero para el trazado se dibuja la mitad del pórtico ya que la estructura es simétrica y facilita su manipulación previa al proceso de armado.

3.3.2

PROCESO DE CORTE

En el proceso de corte para las distintas secciones se optó por algunos procesos como se detallan a continuación.

El corte por cizallamiento se realizó mediante una máquina eléctrica que es sometido al material grandes presiones este tipo de corte lo utilizamos para los componentes rectos de la estructura como es el patín, placas base, unas partes del alma y atiesadores. Este proceso se eligió por el gran ahorro de tiempo.

El corte mediante oxiacetilénico se realiza calentando las superficies, por medio de llama producida en un mechero especial llamado soplete que es obtenida por la combustión de acetileno con oxigeno, este proceso se realiza de manera manual o semi - automatizado. Pero en este proyecto se utiliza manualmente para realizar de acuerdo al diseño elaborado previamente a través de plantillas colocadas sobre la plancha de acero que será señalada con una tiza refractaria para ir cortando por las líneas trazadas siendo uno de los métodos mas útiles en el medio para el corte de las planchas de acero en la fabricación de las estructuras metálicas. Este

155

proceso se utilizó para las partes curvas que unen la viga y la columna del pórtico como también las circunferencias de la viga.

El corte por discos abrasivos de eje o tronzadoras es utilizado con frecuencia en los talleres industriales y artesanales, para el proyecto se utilizo mediante una amoladora que son cortados los componentes de la estructura como los largueros y apoyos, después del proceso de corte se preparan las piezas para las juntas, realizando biseles apropiados para cada una de ellas.

3.3.3

ARMADO

Una vez ya realizado el trazado y el corte, se preparan las partes para el armado, realizando una respectiva limpieza, de las piezas para ubicarlas sobre el pórtico trazado.

Verificando que las dimensiones y formas coincidan con las plantillas, realizando un trazado en la mitad del patín con el objetivo de centrar el alma perpendicularmente entre las dos partes, utilizando bases de apoyo, prensas escuadras, nivel, etc.

Se procede a realizar los puntos de suelda que es la unión por soldadura entre dos piezas de igual o de distintos materiales, por medio de una fusión de estos

156

materiales al calentarse, este proceso es muy utilizado para estructuras metálicas ya que la mayoría de los materiales utilizados para este fin son soldables, la facilidad de aplicación y el ahorro de tiempo en el montaje, en el proyecto se utiliza la soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido, los mismos que permiten la unión de las secciones para poder armar el alma con el patín y obtener

la

sección I.

Ya obtenida la concentricidad y perpendicularidad así como la verificación de sus dimensiones exactas se procede a la soldadura en su totalidad.

3.3.4

PINTURA

Este proceso es importante ya que de este depende evitar la corrosión de los materiales metálicos de la estructura; pero el que se utiliza en el proyecto es el más acogido en nuestro medio por la aplicación de aire comprimido y también es el más recomendable para este tipo de estructura. El proceso de aplicación debe ser el siguiente: limpieza de partículas (polvo), desoxidante y desengrasado, aplicación de fondo industrial (anticorrosivo), aplicar la pintura de acabado y dejar secar por lo menos 60 minutos al tacto.

157

3.4

MONTAJE

Para realizar el montaje de la estructura metálica se utilizó un poste - grúa que contiene un tubo cuadrado, una polea compuesta en la parte superior, un gancho de carga y tirantes posteriores móviles para poder mover al poste.

Se utilizó este método por el espacio físico que se disponía, ya que no se puede ingresar grúas, plataformas hidráulicas o grúa montada sobre un camión al lugar de construcción por que es muy pequeño el lugar donde se va a desarrollar el montaje, debido a la disposición del mecanismo, su fácil instalación, económico y ahorro de tiempo se optó por un poste grúa.

Para obtener un correcto montaje se procede a la nivelación de las placas base en el replantillo que servirán de apoyo para las columnas del pórtico.

Una vez ya nivelada las placas se llevará el pórtico en los trazos realizados anteriormente y se procede a realizar puntos de suelda, a su sujeción y nivelación, para dar la perpendicularidad del pórtico.

El pórtico se lo llevó en una sola pieza por las condiciones físicas, tiempo, y la económica que brinda este mecanismo ya que el proyecto no es tan grande para montar de pieza en pieza.

158

Mientras tanto que para los largueros que son muy importantes para la fijación de los pórticos fueron levantados por medio de cuerdas y así poder dar el paralelismo y la perpendicularidad adecuada en la estructura metálica.

Cuando la estructura ya está nivelada se procede a rematar o dar el cordón de soladura definitivo y repintar las partes que se han afectado por el calor de la soldadura de las respectivas piezas.

Y por último se procede a una inspección final de toda la estructura metálica para el Bar de la Facultad de Ingeniería Mecánica (UNITA), verificando las dimensiones correctas y la calidad de la misma para obtener el visto bueno del Director del Proyecto Profesional de Grado quien a la vez es el Director Técnico de la obra.

159

CONCLUSIONES

En el diseño estructural se distribuye y se dimensiona los elementos de la estructura para que soporten satisfactoriamente las cargas a las que estarán sometidas. El proyecto estructural consiste en la definición de las condiciones de carga, análisis estructural (cálculo de esfuerzos y deflexiones), el diseño de los elementos de la estructura, la preparación de planos de detalle y especificaciones para la construcción de la obra. Los criterios generales que se emplean son:

En el diseño generalmente los esfuerzos no están muy cerca del factor 1, pero es con el fin de darle una mayor resistencia a la estructura, ya que en algunos casos no gobierna el diseño o la resistencia, sino la rigidez.

Cuando se diseña perfiles con factores de 0.6, 0.5 o menores, aparentemente está un poco sobre dimensionado pero en cambio da la garantía de una estructura rígida.

El diseño de este tipo de estructuras con placas armadas en frío es más laborioso por que se deben hacer tantas comprobaciones de las relaciones de esfuerzos combinados; pero si fueran perfiles laminados en caliente no se hiciera tanta comprobación para su respectivo diseño.

160

El diseño no solo se basa en la resistencia, rigidez de los materiales y secciones sino también en la facilidad constructiva debida a ésta, la estructura se diseñó con pocas secciones, lo que llevó a minimizar el número de cortes y plantillas usadas para la construcción.

La estructura construida es funcional y segura porque su diseño se realizó basándose en métodos, suposiciones y normas nacionales e internacionales reconocidos del diseño estructural.

Para el cálculo y diseño de este tipo de estructuras en Acero Estructural nos dará la pauta para la realización de los diferentes proyectos de nuestra vida profesional, con el aprendizaje de las estructuras metálicas que no son muy típicas en la construcción y cálculo de las mismas con la ayuda de los diferentes programas.

Los diferentes diseños han sido realizados basándose en los códigos y reglamentaciones reglamentacion es de los diferentes Códigos como: la AISC, Código Ecuatoriano de la Construcción.

161

RECOMENDACIONES

Al igual que en los países más más desarrollados, desarrollados, el constructor constructor ecuatoriano ecuatoriano está cada vez más conciente de las ventajas de utilizar el acero como sinónimo de versatilidad, rapidez, facilidad de ejecución y economía.

Esto ha generado en nuestro país un auge la producción de perfil de acero, y en especial a motivado la necesidad de una mayor diversificación de estos, así como nuevas tecnologías para mejorar la calidad de los mismos.

La seguridad se relaciona con la resistencia y la serviciabilidad por cuanto a la estructura además de resistir las cargas, se debe tener deflexiones y vibraciones que no sean excesivas para alarmar a sus ocupantes o producir efectos no deseables.

La facilidad es el diseño de estructuras que puedan fabricarse y montarse sin problemas, para lo cual es importante el conocimiento sobre el detallado, esto es las tolerancias y márgenes en el trabajo de taller y campo.

En lo que se refiere a la estructura se debe dar el respectivo mantenimiento para así lograr que se encuentre en estado óptimo de conservación, para evitar la corrosión y desgaste de lo elementos, puesto que la acumulación de los diferentes

162

materiales que se pueden dar en posibles erupciones volcánicas y acumulación de granizo.

Es recomendable, utilizar la estructura metálica por su fácil transportación ya que la misma fabrica o taller de adquisición se encargará de esto y con los planos respectivos se puede trabajar y dejar listo para su anclaje, para luego trasladar al sitio de la obra.

Y por ultimo la Universidad Ecuatoriana debe presentar un papel de liderazgo fundamentando los estudios e investigaciones encaminadas en ese sentido y actualizando sus cátedras de tal forma que el profesional ecuatoriano este al día y pueda a su vez participar en ese desarrollo.

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Estructura Metalica.pdf

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