MEMORIA DE CÁLCULO
COMPLEJO HIDROPONICO
CONTENIDO Pág.
1- Descripción de los invernaderos 1.1- Descripción general de los invernaderos 1.2-Descripción 1.2- Descripción detallada de los invernaderos 1.3-Reglamentación 1.3- Reglamentación utilizada
2- Análisis de Carga
3456-
3 3 3 5
5
2.1- Carga Muerta 2.2- Carga Viva 2.3- Carga Accidental
6 6 9
Combinaciones de Carga Modelación de la estructura, análisis y diseño Diseño de la Columna Diseño de las zapatas
19 20 27 29
Planos y Anexos
1.- DESCRIPCIÓN DE LOS INVERNADEROS 1.1.- DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SITIO
Se trata de un predio ubicado en San Juan Zitácuaro, Michoacán. Esta zona se encuentra a una altitud de 1942 msnm. En este predio se encuentra ubicado en la parte del centro un invernadero de 5184 m2 y cuneros de 578 m2. En los cuales se sembrará fresas y las cuales requieres de una estructura de soporte ya que los cultivos de fresas estarán despegados del suelo. Por otra parte se requiere requiere de hacer una estructura estructura ligera, económica y de buen soporte, por lo tanto se propone hacerla de acero con diferentes secciones transversales que trabajaran entre sí para tener un buen soporte soporte y estabilidad. Para ello se hizo uso de un software de computadora llamado SAP 2000, donde se pudo visualizar de forma más clara y precisa las cargas, así como sus deformaciones posibles.
1.2- DESCRIPCION DETALLADA DE LOS INVERNADEROS Existen diversos tipos de invernaderos que dependen de un un sistema estructural estructural que sea seguro y económico. Esta es la fase más difícil y a la vez la más importante de la Ingeniería Estructural para el caso de este invernadero. A menudo se requieren varios estudios independientes de diferentes soluciones antes de decidir cuál es la forma (marco, armadura, arco, etc.) más apropiada. Una vez tomada la decisión, se especifican las
soportar una carga dada, pudiéndose adaptar de varias maneras para soportar una carga impuesta. El invernadero cuenta con un área de 5184 m2 y se divide en 6 Naves que están juntas y comparten una columna en común. Cada Nave cuenta con una longitud entre interiores de 9.6 m de largo y tiene una altura de 5 m libres antes de la armadura, en esta se sostendrá la sección tubular de donde van a colgar los tensores que los van a subir o bajar los cultivos dependiendo de sus exigencias.
Tabla 1.1 - secciones transversales del invernadero
Se comenzará por describir las características de una de las naves (Nave 1) puesto que todas las demás naves son de las mismas características.
1.3.- REGLAMENTACIÓN UTILIZADA
El diseño de esta estructura de acero se realizó conforme a los lineamientos establecidos en el AICE- 360-10 y las Normas Técnicas Complementarias de Diseño de Estructuras de Acero del RCDF, donde se establecen el diseño de construcción de acero. Así mismo el análisis de carga, diseño por viento se realizó según lo dispuesto con el Reglamento de Construcción del Distrito Federal en sus respectivas Normas.
2.- ANÁLISIS DE CARGAS TIPOS DE SOLICITACIONES Según el Reglamento del Distrito Federal vigente en el art. 151 consideran tres tipos de acciones de acuerdo con la duración en que obran sobre las estructuras con su intensidad máxima:
I.
Las acciones permanentes: son la que obran en forma continua sobre la estructura y cuya intensidad varia poco con el tiempo. Las principales acciones que pertenecen a esta categoría son: las cargas muertas, debidas al peso propio de la estructura y al de los elementos no estructurales de la construcción.
Cargas para el caso del invernadero
Para el caso de los invernaderos, estas serán las cargas que solicitara la estructura:
-
Carga Muerta: Corresponde solo al peso de la propia Estructura
-
Carga Viva: Peso de la cubierta, malla mostiquera, Peso de los cultivos.
-
Carga Accidental: Son las cargas debidas al viento y sismo.
2.1.- CARGA MUERTA Para este tipo de carga, solo se tomara en cuenta el peso propio de la estructura. Para el caso de este tipo de carga, para el ingreso de datos al programa, no es necesario, ya que como aun en esta etapa no está diseñado, aun no se sabe que perfiles son los óptimos para el invernadero. El programa por si solo calcula el peso de la estructura y lo toma en cuenta para el diseño. En el capítulo Final se darna detalles de los perfiles seleccionados y el total del peso de la estructura.
Para el caso de los cultivos colgantes de fresa, en su estado más crítico, que es cuando está húmedo, el peso total es de 45 kg/m2. Pero como los cultivos estarán colgando sobre un cable a tensión de marco a marco y separadas a cada 50 cm, las fuerzas actuantes en la armadura serán las siguientes:
Figura 2.1- Ubicación de los Marcos y los cables
Figura 2.2- Carga Puntual en los Marcos Extremos
2.3 – CARGA ACCIDENTAL En este caso solo se diseñó para viento.
2.3.1 – Diseño por Viento Las disposiciones aquí presentadas se aplicaron en la revisión de la seguridad del sistema de la estructura principal, ante el efecto de las fuerzas que generan las presiones (empujes o succiones) producidas por el viento sobre las superficies expuestas de la construcción. En la revisión se consideró la acción dinámica del viento que es cuando la estructura es sensible a estos efe ctos.
El diseño de viento de la estructura se realizó según lo dispuesto en las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Viento del Reglamento de Construcción del Distrito Federal y el Manual de Diseño de Obras Civiles de la CFE para diseño por Viento.
PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR LAS ACCIONES POR VIENTO
El procedimiento que se utilizara será a base a un análisis dinámico, en el cual se afirma que una construcción o elemento estructural es sensible a los efectos dinámicos del viento cuando se presentan fuerzas importantes
provenientes de la interacción dinámica entre el viento y la
estructura.
2.3.1.1- DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DE DISEÑO
La velocidad de diseño, VD es la velocidad a partir de la cual se calculan los efectos del viento
Factor de exposición El coeficiente Fα refleja la variación de la velocidad del viento con respecto a la altura Z. Asimismo, considera el tamaño de la construcción o de los elementos de recubrimiento y las características de exposición. El factor de exposición se calcula con la siguiente expresión: ….. 2.2 Dónde: FC = es el factor que determina la influencia del tamaño de la co nstrucción, adimensional, y Frz = el factor que establece la variación de la velocidad del viento con la altura. Z = en función de la rugosidad del t erreno de los alrededores (ecuación 6.3), adimensional.
Factor de Tamaño El Factor de Tamaño, FC es el que toma en cuenta el tiempo en el que la ráfaga del viento actúa de manera efectiva sobre una construcción de dimensiones dadas. Considerando la clasificación de las estructuras según su tamaño (véase la Tabla 6.2), este factor puede determinarse de acuerdo con la Tabla 6.4.
Factor de rugosidad y altura. El factor de rugosidad y altura, Frz, establece la variación de la velocidad del v iento con la altura Z. Dicha variación está en función de la categor ía del terreno y del tamaño de la construcción. Se obtiene de acuerdo con las expresiones siguientes: ….. (2.3)
….. (2.4)
….. (2.5)
Dónde: δ=
Es la altura, medida a partir del nivel del terreno de desplante, por encima de la cual la variación de la velocidad del viento no es importante y se puede suponer constante; a esta altura se le conoce como altura gradiente, δ y Z están dadas en metros, y α=
Exponente que determina la forma de la variación de la velocidad del viento con la altura y es adimensional.
Según los criterios para seleccionar el factor de rugosidad y de altura, tenemos que la altura máxima que tenemos en nuestra estructura es de 7.75 m. Por lo tanto se utiliza la fórmula 2 .3 que es para z < 10, estas fórmulas necesitan de otros valores que son los siguientes, la categoría del ter reno según su rugosidad, se obtuvo de la t abla 2.3, teniendo así la categoría de rugosidad del tipo 3, entonces por lo tanto los Valores de δ y α, se obtienen de la tabla 2.4, teniendo así los siguientes valores: δ=
390 m y α= 0.171
Sustituyendo eso valores, en la formula 2.3 tenemos que el factor de rugosidad y altura, es de:
() Frz= 0.834 Por lo tanto el Factor de exposición es (se calcula con la fórmula 2.2): Ya obtenido el factor de tamaño en la sección 2.1.1 y el factor de rugosidad y altura en la sección 2.1.2, procedemos a calcular el factor de exposición, para ello se utilizara la fórmula 2.2.
Factor de Topografía El factor de topografía, FT, toma en cuenta el efecto topográfico local del sitio en donde se desplantará la estructura. Así, por ejemplo, si la construcción se localiza en las laderas o cimas de colinas o montañas de altura importante con respecto al nivel general del terreno de los alrededores, es muy probable que se generen aceleraciones del flujo del viento y, por consiguiente, deberá incrementarse la velocidad regional. En la Tabla 6.6 y Figura 6.3 se muestran los valores que se recomiendan con base en la experiencia para el factor de topografía, de acuerdo con las características topográficas del sitio.
Velocidad Regional La velocidad regional, VR, es la máxima velocidad media probable de pr esentarse con un cierto periodo de recurrencia en una zona o región determinada del territorio. Para consultar las velocidades regionales del sitio donde se instalaran los invernaderos, se observó el Mapa de Isótacas de la Figura 2.1 o bien en el Manual de Diseño de Obras Civiles de la CFE-1993 para otros períodos de retorno. La velocidad regional, VR se determina tomando e n consideración tanto la localización geográfica del sitio de desplante de la estructura como su destino.
Zitácuaro
2.3.2- PRESIÓN DINAMICA DE BASE Cuando el viento actúa sobre un obstáculo, genera presiones sobre su superficie que varían según la intensidad de la velocidad y la dirección del viento. La presión que ejerce el flujo del viento sobre una superficie plana perpendicular a él se denomina comúnmente presión dinámica de base y se determina con la siguiente ec uación:
….. (2.6)
Dónde: G = es el factor de corrección por temperatura y por altura con respecto al nivel del mar (ecuación 3.2), adimensional. VD = la velocidad de diseño, en km/h, definida en la sección 2 , y qz = la presión dinámica de base a una altura Z sobre el nivel del terreno, en kg/m2. El factor de 0.0048 corresponde a un medio de la densidad del aire y el valor de G se obtiene de la expresión: ….. (2.7) Dónde: Ω = es la presión barométrica, en mm de Hg Τ = la temperatura ambiental promedio en ºC . En la Tabla 3.1 se presenta la relac ión entre los valores de la altitud, hm, en m etros sobre el nivel del mar, msnm, y la presión barométrica, Ω.
Con la fórmula 3.2 se calcula el factor de corrección, se toman los v alores anteriormente calculados:
Utilizando la fórmula 3.1. La presión dinámica de base es,
2.3.3 - PRESIONES Y FUERZAS DEBIDAS A LA ACCIÓN DEL VIENTO
Análisis Estático, La presión exterior pe, sobre una de las superficies de una construcción cerrada, en este caso en la de los invernaderos se calculará utilizando la siguiente ecuación:
….. (2.8)
Dónde:
Factor de presión local. El factor de presión local, KL, se obtendrá de la Tabla 4.2 y afectará sólo a las presiones exteriores, las cuales a su vez se combinarán con las interiores.
Tabla 2.9 Factor de presión local, para recubrimientos y soportes
Figura 2.6 – Definición de zonas en muros laterales para aplicar los coeficiente de presión exterior
Estos son los empujes calculados en cada uno de los muros: Con: KA = 1.0 KL = 1.0
SUPERFICIE
DIRECCCION DEL VIENTO
d/b
Inclinación del viento
Barlovento Sotavento
Normal
0.64
Paralelo
1.56
=20°
Cpm
Pn (kg/m2)
0.8
22.52
-0.4
-11.26
-0.3
-8.45
Tabla 2.11 – Tabla de resultados de las paredes de barlovento y sotavento
Para muros laterales, con una altura de 7.5 KA = 1.0 KL = 1.25
Distancia Horizontal De 0 a 1H 1H a 2H 2H a 3H
Longitud (m)
Cpe
Pn (kg/m2)
0 – 7.5 7.5 - 15 15 – 22.5
-0.65 -0.5 -0.3
-22.87 -17.6 -10.56
4.- MODELACIÓN DE LA ESTRUCTURA, ANALISIS Y DISEÑO
El modelado de la estructura se realizara con ayuda del software SAP2000 v16, un programa de ingeniería estructural, que permite generar modelos en 2D y en 3D, además de analizarlos y diseñarlos. Su ambiente de trabajo contiene las herramientas de trabajo muy accesibles evitando la búsqueda en submenús que están ocultos. Existen tres actividades que se deben tomar en cuenta durante el uso del software:
La generación del modelo En este punto se realiza la geometría del modelo. Se asignan las secciones de los eleme ntos con sus respectivas propiedades del material como el peso volumétrico, la r elación de Poisson, densidad, coeficiente térmico, Modulo elástico. Se generan las cargas que la estructura soportara. Se asigna en el modelo los tipos de apoyo con respecto al tipo de suelo donde se construirá el proyecto.
Análisis del Modelo Desplazamientos Fuerzas Reacciones
Revisión de Datos
En la figura 4.1 se observa la geometría del modelo, de los invernaderos, mostrando la estructura general que dar soporte a los invernaderos.
Figura 4.1 - Geometría de las caras extremas de los invernaderos
Figura 4.3 - Geometría general de los invernaderos
Una vez realizada la geometría de la estructura se asignan las propiedades de los elementos, tales como; peralte, espesor, parámetros de material a utilizar.
Como los resultados de los análisis de cargas, análisis por viento se asignan a las cargas al modelo generado en el programa
Figura 4.6- Carga Puntual debido al peso de los cultivos en las armaduras extremos de los invernaderos
Figura 4.8- Carga Distribuida debido a la acción del viento
Ya cargado y dibujado en SAP2000, el siguiente paso es hacer el análisis estructural, se revisan los desplazamientos máximos en todos los elementos, y se sacan los valores máximos de los Cortantes y momentos de la estructura, para proceder con el diseño Estructural.
Figura 4.10 – Diagrama de Momentos
Después de obtener los valores máximos de fuerza axial y Momento flexionante, se procede al Diseño Estructural, en esta parte se analizan cada una de las secciones que componen el invernadero, analizando si el perfil propuesto es el óptimo, para el caso de los perfiles que tienen un comportamiento medio de su máxima capacidad, se reduce la sección para optimizar material y disminuir peso a la estructura.
5.- DISEÑO DE LA COLUMNA Para el caso de la columna, se propone un PTR de 4”, rellenas de concreto f´c=250 kg/cm2. En el caso del diseño de la columna, es necesario hacer la transformación del concreto en acero, para la facilidad del diseño. Teniendo en cuenta los módulos elásticos del acero y el concreto, y haciendo una relación entre ellos se obtiene que por cada cm2 de acero, se tiene 9.4 cm2 de concreto. Teniendo en cuenta la relación calculada, se obtienen los elementos mecánicos del perfil Y son los siguientes:
Debida a la acción de las cargas, estos son los esfuerzos, fuerza axial, que es el dato con el que se diseña y el momento torsionante.
Figura 5.3 – Diagrama de Fuerza axial y mo mento torsionante en la columna
6.- DISEÑO DE LAS ZAPATAS
Las zapatas se diseñaron de acuerdo al RCDF (Normas Técnicas Complementarias de la siguiente manera: Para el diseño se utilizó la carga que soportan las columnas 5.5 Ton.
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