UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
“PROYECTO DE ACERO DISEÑO DE GALPÓN INDUSTRIAL”.
Elaborado por: Caldeira Angel. C.I 16339585 Moreno David. C.I 19552859
Valencia, Marzo 2012
MEMORIA DESCRIPTIVA Generalidades: Este proyecto consiste en presentar información detallada del diseño y cálculos de una estructura de acero, cuatro galpones industriales con paredes compartidas por una columna central, posee techo de cubierta de aluminio, conformados internamente con una mezzanina para el uso de oficinas a dos niveles.
El galpón estará ubicado en la zona industrial de la ciudad de Valencia estado Carabobo.
Normas de Diseño: Para cumplir con el objetivo propuesto, usando normas aceptadas para el cálculo de las estructuras se usaron las normas: -
COVENIN MINDUR 2003-86 Acciones del viento sobre las construcciones.
-
COVENIN MINDUR 2002-88 Criterios y acciones mínimas para el proyecto de edificaciones.
-
COVENIN fononorma 1753:2006 proyecto y construcción de obras de concreto
-
ANSI/AISC 360-10 Specification for structural steel builgs.
Materiales: Las estructuras en general están construidas con acero con las siguientes características: ASTM A-36 Fy= 2530Kg/cm2 Fu = 4080 Kg/cm2
Planteamiento y análisis del diseño El diseño y calculo se realizo siguiendo la metodología L.R.F.D (load and resistence factor desing for steel), método de los estados límites, que consiste en el diseño de acero por factores de carga y resistencia mayoradas, proporcionando así una mayor confiabilidad en el diseño.
Para el diseño de toda la estructura se estimo la carga que va a soportar a lo largo de la vida útil, para este análisis de cargas se analizaron diferentes situaciones que pueden cumplirse en las estructura, variando estas según la combinación de las cargas permanentes y variables.
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Las acciones permanentes que actúan sobre el galpón cuya magnitud se considera invariable en el tiempo son las cargas de debidas al peso propio de los componentes estructurales y no estructurales, para ellos se uso el peso propio de los materiales y elementos a emplear.
Para las acciones variables se usaron los valores definidos en las normas para oficinas.
En el análisis de carga de las correas se tomaron en cuenta las cargas variables, las cargas de viento y las cargas permanentes del peso propio de las correas y la cubierta de techo, para la mezzanina, se considero las cargas de la tabiquería, las columnas, y el piso que es una losa acero, así como el uso como oficinas.
Para el análisis de cargas de las columnas de la estructura se diseñaron las más desfavorable, considerando el viento y las ejercidas por las vigas, las columnas van empotradas en su base a la fundación de concreto y se sueldan a las planchas bases en todo el contorno. Así mismo la placa base de diseño basándose en la carga trasmitida por la columna a la misma.
La unión de los diferentes elementos estructurales se realizara con pernos, para unir las diferentes partes metálicas.
Para este proyecto se decidió trabajar con diferentes perfiles, para las columnas perfiles HEB, para las correas tubulares, para las vigas IPN, el material de la cubierta de techo es aluminio industrial de ancho 1,06m con trapecio de 75mm de profundidad.
La metodología aplica consiste en: -
Estimar las cargas de diseño, comenzando con el viento, estimando por normativas las cargas vivas para una oficina, así como la carga viva sobre techo, en cuanto a las cargas permanentes se manejaron como cargas gravitacionales por peso propio de los elementos obtenidos de catalogos.
-
Se uso el programa SAP 2000, para simular la estructura y calcular las solicitaciones a la cual fue sometida la misma, para ello se definieron los diferentes tipos de materiales a utilizar, se incluyeron combos de fuerzas, se definió geométricamente los 4 galpones
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con sus mezzaninas, columnas, vigas y correas, para el techo y la mezanina se establecieron su equivalentes en cargas (de la cubierta de techo, la losa de entrepiso y mampostería), se solicito en la estructura; el viento se estableció en direcciones X y Y como usa carga distribuida en las columnas de las fachadas, así mismo su efecto de succión en el techo. -
Se procedió con un predimencionado estimando dimensiones de las correas, vigas, columnas de la estructura, aquellos elementos que no cumplieron al correr el programa se aumentaron de tamaño hasta conseguir uno en el cual cumplió con las especificaciones, los elementos que cumplieron se procedió a optimizarlos remplazándolos con de menor tamaño para establecer un optimo más económico siempre y cuando cumpliera con las especificaciones, además que la estructura no presentase riesgos de fallas.
-
Luego con los datos obtenidos de las Solicitaciones en la estructura se procedió a comprobar el diseño de un pórtico (el más solicitado), incluyendo correas, vigas, columnas, plancha base, conexión a corte y conexión a momento.
-
Con dicha información se comprobó el cumplimiento de los estados límites según el caso.
-
Se realizo un resumen de los materiales a utilizar en la construcción, de este elemento estructural.
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MEMORIA DE CÁLCULO
Combinaciones de carga Para este proyecto se ha usado las siguientes combinaciones de cargas para estados limites, las cuales han sigo añadidas, a la estructura mediante el programa SAP 2000.
Donde: U: es el estado límite de agotamiento resistente. CP: Solicitaciones por cargas permanentes. CF: solicitación por peso de fluidos. CT: solicitaciones por cambios de temperatura. CV: solicitaciones debidas a cargas variables CE: solicitaciones por empuje de material. CVt:: solicitaciones debidas a cargas variables en techos o cubiertas. S: solicitaciones debidas a acciones sísmicas. S: acciones o solicitaciones debidas al viento.
Para este proyecto no se tomo en cuenta las acciones debidas a sismo ni las debidas a cambios de temperaturas; las solicitaciones por empuje y por
peso de fluidos por las
condiciones propias del proyecto son nulas. Respecto a las solicitaciones por viento se presentan los respectivos casos a continuación.
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Estimación de las acciones del viento Datos usados
Dimensiones Básicas del Galpón Altura total del galpón:
ht=
7,84
m
Altura de pórticos laterales:
hc=
6,50
m
Altura a la mitad del techo:
h=
7,17
m
Altura de la cumbrera:
H=
1,34
m
Luz del pórtico:
b=
19,90
m
Longitud del galpón:
L=
50,80
m
Inclinación del techo:
θ=
7,67
Consideraciones normativas
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Velocidad máxima del viento: Se considero la velocidad del viento tomando los datos meteorológicos obtenidos en la estación del aeropuerto de valencia ubicado en las cercanías de la construcción.
ESTACION
AÑO ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
VALENCIA-AEROPUERTO km/h 1990 36 49,7 42,1 42,5 66,2 43,2 69,1 46,4 76 51,5 39,2 36,2 VALENCIA-AEROPUERTO km/h 1991 41,4 43,2 4,8 75,6 71,6 47,2 41,4 50,8 49,7 93,2 47,5 30,9 LAT
LON
10,166
-67,93
Conociéndose que el valor máximo registrado según el Inameh es de 93,2 K/h medios en un mes, se tomara como velocidad base 100K/h Referencia: http://www.inameh.gob.ve/mensual/info_climatologica_reporte.php Vmax=100K/h
Solicitaciones estimadas del viento obtenido según normativa COVENIN MINDUR 2003-86 Acciones del viento sobre las construcciones.
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Acciones Vx SUPERFICIE BARLOVENTO
Z h 6,5 -
Kz 0,428
Kh -
7,1
-
0,445
-
6,5
-
0,482
7,1
-
0,445
6,5
-
0,482
7,1
-
0,445
SOTAVENTO FACHADA
LATERAL -
Cp q Gh qGhCp q(Gcpi+0,25) 0,8 30 1,573 37,752 7,5 0,8 0,5 0,5 0,7 0,7
30 1,555 37,320 30 1,573 23,595 30 1,555 23,325 30 1,573 33,033 30 1,555 32,655
q(Gcpi0,25) -7,5
7,5
-7,5
7,5
-7,5
7,5
-7,5
7,5
-7,5
7,5
-7,5
AE + EI AE + SI 45,252 30,252 44,820 16,095 15,825 25,533 25,155
29,820 31,095 30,825 40,533 40,155
BARLOVENTO
-
7,1
-
0,445
30 1,555 0,9 41,985
7,5
-7,5
34,485 49,485
SOTAVENTO
-
7,1
-
0,445
30 1,555 0,7 32,655
7,5
-7,5
25,155 40,155
Kz 0,445
Kh -
TECHO
Acciones Vy SUPERFICIE BARLOVENTO
FACHADA
SOTAVENTO
LATERAL
Z h 7,1 -
-
Cp q Gh qGhCp q(Gcpi+0,25) 0,8 30 1,555 37,320 7,5
q(Gcpi0,25) -7,5
AE + EI AE + SI 44,820 29,820
7,1
-
0,445 0,3 30 1,555 13,995
7,5
-7,5
-6,495 21,495
6,5
-
0,482 0,7 30 1,573 33,033
7,5
-7,5
25,533 40,533
BARLOVENTO
-
7,1
-
0,445
30 1,555 0,7 32,655
7,5
-7,5
25,155 40,155
SOTAVENTO
-
7,1
-
0,445
30 1,555 0,7 32,655
7,5
-7,5
25,155 40,155
TECHO
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Coeficientes de Empujes Y succión
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Acciones del Viento
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DISEÑO DE ELEMENTOS DE LA ESTRUCTURA *Diseño de la correa Cargas sobre las correas Dimensiones del techo de un galpón
*Permanentes -Debidas a la cubierta metálica: Se considero la ubicación más desfavorable, con un área tributaria de 5,525m x 4,98 m Área tributaria(m) 2 - Debidas al peso propio de las correas
peso propio (K/m²) 1,1
Carga (kg) 2,2
Se considero una sección rectangular 160x65. numero de correas 1
peso propio (K/m) 14,45
Carga (kg/m) 14,45
Acción del viento en el techo A succión: -40,155 Kg/m2 Área tributaria(m) 2
peso propio (K/m²) 40,16
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Carga (kg/m) 80,32
*Acciones de carga variable sobre cubiertas y techos Se tomo por normativa 40 Kg/m2 No se tomo el efecto de la inclinación del techo por tener un inclinación muy pequeña que afecta muy poco el valor de la carga, para esta estimación se uso una correa central por ser la más solicitada. Mayoracion de cargas sobre la correas U = 1,2 CP +1 CV- 0,8 W (de las combinaciones posibles normativas esta es la más desfavorable) W= - 80,32/m U=-118,85Kg/m Definiendo modelo matemático
M max=-512 k*m Vmax= 552,99k Mu ≤ Mn Ø Mn=Fy*Z, asumiendo Max = Mu Z=Mu/Ø*Fy = 512*100/0,9*2530= 22,48 cm3 Del catalogo Sección rectangular 160x65, Zx= 56,21 cm3, compacta. Comprobando estados límites A flexión por norma sección F, se chequea: 1) Fluencia Mn=FyxZ Mn= 2530* 56,21= 142211,30 K.cm= 1422,11 k*m Mu= 512 ≤1422,11*0.9=1279,90 cumple 2) Pandeo local No aplica
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*Diseño de la Viga principal Cargas sobre las Vigas Numero de correas= 6, espaciadas 2m.
Debido a las correas n correas) 6
carga correa (K/m) -118,846
Carga (kg)
reacción kg/m
-600,1723 -60,01723
distribuida kg/m -360,10338
Debidos al peso propio, se considero vigas IPN 340 numero de Vigas(m²) 1 Definiendo modelo matemático
peso propio (K/m) 68
Carga (kg/m) 68
De la viga mas cargada que es la que su estremo llega a la pared divisoria de los galpones. M max= 20847,30 K- m Vmax= 6532,81 k
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Mu ≤ Mn Ø Mn=Fy*Z, asumiendo Max = Mu Z=Mn/Ø*Fy = 21505,36*100/0,9*2530= 944,46 Del catalogo Sección IPN 340, Zx= 923 cm3, compacta.de alma y alas. Comprobando estados limites A flexión por norma sección F, se chequea: 1) Fluencia Mn=FyxZ Mn= 2530* 923= 2335190 K.cm= 23351,9 k*m Mu=20847,30 ≤ 23351,9 *0.9=21016,71 cumple 2) pandeo lateral torcionante Lb: longitud libre de arriostramiento Lb: Longitud entre correas- (B/2)*2= 200cm- 65cm =135cm Donde B es ancho del elemento arriostrante Lp-. Longitud límite de la norma Lp= 1,76Ry √ (E/Fy) Donde Ry: radio de giro eje y E=modulo de elasticidad dela acero Fy= punto de fluencia del acero Lp=1,76*2,80√ (2,1*106/2530)= 141,97cm Del capítulo F sección F2 caso (a) Si Lb ≤ Lp no aplica el estudio del pandeo lateral torcionante. A corte 1) Fuerza cortante Vu ≤ Vn Ø Vn=Fy Aw Cv Cv=1 por ser una sección I Aw-. Área del alma Aw= ancho del alma (tw)*altura del alma (h) Aw= 1,22 cm*34,0cm= 41,48cm2 6532,81 k ≤ 0,6*2530*41,48*1= 62966,64 K Cumple
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Diseño de la Viga amarre Cargas sobre las Vigas de amarre Peso de la pared en la fachada sobre la viga Long pared
peso propio (K/m)
Carga (kg/m)
5,05
1,1
150
numero de Vigas(m²)
peso propio (K/m)
Carga (kg/m)
1
17,9
17,9
Peso propio de la viga de amarre
Reacción de las vigas de cargas sobre las vigas de amarre, sobre la pared. R= 950 Kg Definiendo modelo matemático
M max= - 887 K- m Vmax= 998 k
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Mu ≤ Mn Ø Mn=Fy*Z, asumiendo Max = Mu Z=Mn/Ø*Fy = 887*100/0,9*2530= 38,95 Del catalogo Sección IPN 160, Zx= 117 cm3, compacta.de alma y alas. Comprobando estados limites A flexión por norma sección F, se chequea: 1) Fluencia Mn=FyxZ Mn= 2530* 117= 296010K.cm= 2960,1 k*m Mu=887 ≤ 2960,1 *0.9=2664,09 cumple 2) pandeo lateral torcionante Lb: longitud libre de arriostramiento Lb: Longitud entre correas- (B/2)*2= 505cm- 20 +2cm =465cm Donde B es ancho del elemento arriostrante Lp-. Longitud límite de la norma Lp= 1,76Ry √ (E/Fy) Donde Ry: radio de giro eje y E=modulo de elasticidad dela acero Fy= punto de fluencia del acero Lp=1,76*1,55√ (2,1*106/2530)= 78,59 cm Del capítulo F sección F2 caso (a) Si Lb > Lp Comprobar Lr Lr= 1,95 Rts *(E/0,7 Fy). (√(J/Sxho)+( √(J/(Sxho)^2+ 6,76(Fy/E)^2)) Rts= 1,15 J=5,4cm4, Lr=281,469 cm Caso 3 Mn≤ Mp=Fy*Zx Mp=2530*117=296010K-cm Mn= 91171≤ 296010 cumple
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A corte 1) Fuerza cortante Vu ≤ Vn Ø Vn=Fy Aw Cv Cv=1 por ser una sección I Aw-. Área del alma Aw= ancho del alma (tw)*altura del alma (h) Aw= 0,63cm*16cm= 10,08 cm2 998 k ≤ 0,6*2530*10,08*1= 15301,44 K Cumple
*Diseño de las columnas Cargas sobre las Columnas La viga columnas más solicitada, ubicada en la fachada lateral, ya que incluye el momento generado por la fuerza de viento. Carga axial = 8624,24 k Momento max sentido x= 13285,35 k-m Longitud de la columna= 6,5m Definiendo modelo matemático Mu ≤ Mn Ø Mn=Fy*Z, asumiendo Max = Mu Z=Mn/Ø*Fy = 13285,35*100/0,9*2530= 583,46 Selecciono del catalogo perfil HEB, Z=570, que está trabajando en el rango de 90% de su capacidad, compacto de ala y alma. Comprobando estados limites Chequeando pandeo local por flexion Definiendo relación de longitud efectiva: K*L/r = 1*650/5,06= 128,46 Donde: K=1, r=5,06cm K*L/y <200 Columna corta Pu ≤ Pn Ø
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Pn= Fcr*Ag Determinado caso critico Verifico 4,71√E/Fy= 135,69 Caso (a) K*L/y < 4,71√E/Fy Fcr=(0,658^(fy/Fe))Fy Donde Fe= (π^2)*E/ (K*L/r)`2=1255,98 k/cm2 Fcr= 1088,83 k/cm2 Pn=0,9* 1088,83=979,95 k Pandeo por flexión, caso E3 de la norma. Pn= Fcr*Ag Ag es el area gruesa de la sección Ag=78.1 cm2 Pn= 71,1*979= 69674,45k Pu=8624,24 < Pn=69674,45 crumple. Chequeando flexocomprecion Pu/ Ø Pn= 8624,24/69764,45= 0,123< 0,2 compruebo con la ecuación: (Pu/ 2Ø Pn)+((Mux/ ØMnx)+( Muy/ ØMny)) ≤ 1 Muy=0 (0,065+0,01) ≤ 1 0,7≤ 1 cumple.
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DISEÑO DE CONEXIONES
*Conexión entre la viga de carga y la columna. VIGA DE CARGA
COLUMNA
Propiedades de los perfiles Viga: IPE 330, calidad ASTM – A – 36, Fy=2530 Kg/cm2, Fu= 4080Kg/cm2 Columna: HEB 200, calidad ASTM – A – 36, Fy=2530 Kg/cm2, Fu=4080Kg/cm2
Tipo de conexión: Plancha extrema Imagen representativa solo la diferencia de la real la inclinación de la viga de carga que es de 7,83º.
Combinación de tracción y corte en conexión de tipo aplastamiento.
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Valores del Sofware (SAP2000): Vu y Pu.
V=5716.26 Kg, Pu=58.44 Kg/m, Pu=584,4 Kg nº pernos = 6
Ø pernos = 19 mm (3/4”)
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Resistencia a corte simple para tornillos estándar.
Ø 3/4”= 3638 kg ØRn=0.75 * 3638 Kg = 2728.5 Kg ØRn Ru 2728.5 Kg
952.71 Kg OK
La resistencia por aplastamiento. Ru
ØRn (LRFD), Ø= 0.75
Rn= Fnv * Ab Ab: Área bruta del perno. Esfuerzo de diseño de sujetadores a tension ultima.
A 325 – N = 6330 Kg/cm2 * 2.87 cm2 =18167.1 Kg ØRn = 0.75 * 18167.1 Kg = 13625 Kg Ru= 952.71 Kg
13625 Kg OK
La carga de tensión por tornillo.
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Pu=584,4 Kg Pu tornillo = 584,4 Kg/6 = 97.4 Kg
Resistencia de diseño a tension Última de los tornillos de alta resistencia Rn= 13625 kg ØRn= 0.75 * 13625 Kg = 10218.75 Kg > 97.4 Ok
CONEXION
Resumen de materiales metálicos
Elemento Correas de techo Vigas de carga Vigas de amarre Columnas externas
Nombre tubular 160x65 IPN 340 IPN160 HEB 200
Columnas internas
HEB 200
Vigas Columnas Cubierta de techo Losacero
IPN 160 HEB240 Industrial calibre 20
Perno
3/4"
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Ubicación techo Techo sobre las columnas Fachadas división interna de los galpones mezzania mezzania techo mezzania Conexión Columna y Vigas
Conclusiones y recomendaciones
Para el diseño mostrado, se puede concluir que las cargas de viento generan una succión relativamente uniforme de magnitud apreciable sobre la cubierta de techo. De las combinaciones de cargas la más desfavorable estimada es U = 1,2 CP +1 CV- 0,8 W, lo que ayudo a definir el diseño la estructura según estas acciones.
Las mayores solicitaciones obtenidas en la estructuras son aquellas a momento, tanto en las vigas como en las columnas.
Con las acciones y los pesos propios de los materiales de definieron seleccionaron los materiales recomendados para la construcción de estos galpones. Los materiales fueron escogidos de tal manera que resistieran las solicitaciones de forma segura, así mismo optima evitando gastos mayores.
Como recomendaciones se tienen las siguientes: -
Se uso una viga de carga para el techo siguiendo la arquitectura, pero se recomienda una cercha en su lugar para controlar mejor las deflexiones.
-
Se recomienda estricto cuidado al construir los diferentes tipos de conexiones, ya que son elementos altamente solicitados.
-
Para alargar la vida útil de la estructura de acero, esta debe ser revestida, generándose una protección contra la corrosión atmosférica.
-
Tomar en cuenta la mayoración de cargas de sismo, debido a que la estructura será construida en una zona de sufrir movimientos telúricos , y de esta forma evitar posibles fallas.
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ANEXOS 1) Especificaciones de cubierta metálica seleccionada y losacero Cubierta Tipo: Industrial
8 30 mm 75 mm 1,065 mts 1 mts 1 trapecio 10 a 15 cms 5% - 10% 20 cm Rechaza el 75% de los rayos del sol
Número de Trapecios Profundidad de Trapecios Distancia entre Trapecios Ancho Total Ancho Útil Solape Longitudinal Solape Transversal Pendiente Mínima Volado Máximo Reflectividad
Espesor mm 0,51
Peso mm 1,16
Ancho Total mts 1,06
LOSACERO Dimensiones del Perfil LOSACERO
24
Ancho Útil mts 1
Longitud mts 1 a 12
20
CALIBRE
PESO
PESO m2
MAX. SEPAR.
ESPESOR
ml
(Util)
A 3 TRAMOS ml
ml
7.25
9.51
4.250
1.10
0.90
VOLADO MAX. CARGA MAX.
72
Relación luz flecha = 120 Usos: Losas de techo y entrepiso. Ampliaciones, Mezzaninas, Puentes, Estacionamientos, Viviendas progresivas.
Losa mixta compuesta, losacero dentado. Losa de concreto Rc=210 kg/cm
2
(Vaciado sin apuntalamiento)
PROPIEDADES DEL PERFIL. TABLA DE SOBRECARGAS ADMISIBLES. (kg/m2).
Espesor losa
LUZ LIBRE ENTRE APOYOS
H = 10
Condiciones
Simple
Dos
De apoyo
Apoyad
Tramos
1.50
1200 a
2330
1.75
630
1630
2.00
270
1000
2.25
--------
--------
25
2) Perspectiva de la estructura de los galpones, con vista a los detalles de las mezzaninas.
26
3) Momentos flectores en pórtico más solicitado. Con el cual se diseño la estructura.
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4) características de los perfiles seleccionados DIMENSIONES (mm)
IPN (I)
h
b
s
t
AREA r1
r2
PESO
Ix cm
cm
2
kg/m
4
MOMENTO RESPECTO A LOS EJES EJE X – X EJE Y – Y Iy Sx Rx Sy 4 cm 3 3 cm cm cm
Ry cm
160
160
74
6.3
9.5
6.3
3.8
22.8
17.90
935.0
117.0
6.40
54.70
14.80
1.55
340
340
137
12.2
18.3
12.2
7.3
86.7
68.00
15700.0
923.0
13.50
674.00
98.40
2.80
MOMENTO RESPECTO A LOS EJES EJE X – X EJE Y – Y
DIMENSIONES (mm)
HEB
PESO
ÁREA
(I)
IPB
h
b
s
t
R
kg/m
Ix
Sx
Rx
Iy
Sy
Ry
cm4
cm3
cm
cm4
cm3
cm
cm2
200
200
200
8.0
15.0
18
78.1
61.3
5700
570
8.54
2000
200
5.06
240
240
240
9.0
17.0
21
106
83.2
11300
938
10.3
3920
327
6.08
28
