Análisis Estructural Naves Industriales

ANLISIS ESTRUCTURAL APLICADO NAVES INDUSTRIALES

Modelo numrico de una planta industrial

Noviembre de 2008

Curso de Anlisis Estructural Aplicado

Modelo numrico de una nave industrial

ndice1. Objetivos y Alcance.....................................................................................................................1 2. Memoria descriptiva de la estructura...........................................................................................1 3. Geometra de la estructura...........................................................................................................1 4. Bases de Diseo...........................................................................................................................4 4.1. Estados de carga...................................................................................................................4 4.1.1. Cargas permanentes:......................................................................................................4 4.1.2. Sobrecarga til:..............................................................................................................4 4.1.3. Acciones de Viento:.......................................................................................................5 4.2. Combinaciones de Carga......................................................................................................6 5. Anlisis y Evaluacin Estructural................................................................................................7 5.1. Elaboracin del Modelo numrico de anlisis......................................................................7 5.2. Resultados obtenidos.........................................................................................................13

Fecha: 01 de septiembre de 2011



1. Objetivos y AlcanceEl objetivo del presente informe es modelar un ejemplo real de una nave industrial aplicando los conocimientos de los cursos bsicos de estructuras metlicas. Con el propsito de ilustrar sobre la aplicacin prctica de la modelacin en tres dimensiones, se desarrolla un ejemplo relativo a una estructura, cuyas caractersticas generales se consideran representativas de una modalidad constructiva utilizada con frecuencia en naves destinadas a plantas industriales con entrepiso para depsito. Existen muchos programas de anlisis estructural disponible en forma comercial. Se emplear SAP2000 para la modelacin numrica de la estructura propuesta en el trabajo.

2. Memoria descriptiva de la estructuraLa estructura consiste en una planta industrial de 27.5 m de largo por 18 m de ancho, con un entrepiso para depsito de materiales, emplazada en la ciudad de Rosario. La estructura de techo tiene una pendiente del 30% y est constituida por chapas apoyadas en correas separadas cada 1.50 m. Las correas estn formadas por perfiles normales doble T que apoyan sobre vigas reticuladas ubicadas a una distancia de 5.5 m. Las vigas reticuladas estn conformadas por diagonales y montantes de perfiles ngulos de alas iguales. La estructura de entrepiso apoya sobre correas que descansan sobre las vigas principales de entrepiso de seccin doble T. Las columnas metlicas son seccin armada de perfiles ngulos con presillas. Las mismas son biarticuladas, excepto las del prtico frontal y posterior que estn empotradas en una direccin para resistir las cargas de viento. Las uniones de los elementos estructurales sern ejecutadas de modo tal que conformen nudos articulados, evitando la formacin de uniones rgidas que permitan la transmisin de momentos flectores entre las barras. Las vigas de contraviento se ubican a nivel de cordn superior y estn conformadas por barras de acero de seccin circular maciza AL220. La estructura se completa con zapatas como elementos de apoyo, que sern las encargadas de transferir la carga de la superestructura al suelo de fundacin. El documento se encuentra organizado de la siguiente manera: En el primer apartado se presenta una descripcin general de la geometra de la estructura. A continuacin, se describe en detalle los sistemas de cargas que actan sobre la construccin. Finalmente, se describe los pasos seguidos para la modelacin en tres dimensiones y los esfuerzos y desplazamientos obtenidos.

3. Geometra de la estructuraEn los puntos siguientes se resumen las caractersticas generales del edifico:


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Tipologa estructural: Estructura Metlica. Dimensiones en planta: 27.5 m x 18 m. Altura total: 10.2 m. Nmero de pisos: un piso con entrepiso para depsito de materiales Caractersticas de los materiales: Acero F-24. Fy= 235 MPa; Fu=370 MPa Cubierta: Cubierta a dos aguas con pendiente del 30% de Chapas acanaladas galvanizadas. Relleno de vanos de prticos: Chapas acanaladas galvanizadas.

En la Figura 1 se presenta un esquema general de la disposicin estructural de la planta, y en las Figura 2, Figura 3 y Figura 4 los cortes y Figura 5 las vistas de la nave industrial.

27,5 m 5,5 m 5,5 m

9,0 m

Prtico Tipo B Prtico Tipo A

18,0 m

Prtico Tipo C9,0 m

Figura 1 Esquema general de la planta de techos.

9,0 m

9,0 m

Figura 2 Prtico Tipo A.

3,8 m

3,7 m

2,7 m


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5,8 m

18,0 m

Figura 3 Prtico Tipo B.

3,8 m

3,7 m

2,7 m

9,0 m

9,0 m

Figura 4 Prtico Tipo C.

3,8 m

3,7 m

2,7 m


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Vista Lateral

Vista Frontal

Figura 5 Vista Lateral y Vista Frontal de la nave industrial.

4. Bases de Diseo4.1. Estados de cargaEn este apartado se muestran los criterios adoptados para los diferentes estados de carga.

4.1.1. Cargas permanentes:Se considerarn como cargas permanentes aquellas originadas por el peso propio de los elementos componentes de la estructura. En este caso, debern tenerse en cuenta el peso de las chapas de cerramiento de techo y laterales con las correspondientes aislaciones, elementos de fijacin y unin, perfiles que componen las cabriadas, soportes auxiliares como tensores, soldaduras y todo elemento que por sus caractersticas de permanencia sobre la estructura pueda considerarse como peso propio integrante de la misma. Los valores adoptados para carga permanente de techo y de entrepiso son 0.30 kN/m2 y 0.90 kN/m2 respectivamente.

4.1.2. Sobrecarga til:Los valores de sobrecarga til adoptados corresponden a los establecidos por el Reglamento CIRSOC 101 de acuerdo al destino de la estructura. Para el techo, la carga til considerada es de 0.57 kN/m2 y contempla el peso de las personas y equipos que sern necesarios para efectuar las tareas de montaje y mantenimiento y que no coexistirn con la mxima accin del viento.


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El entrepiso cumplir funciones de depsito por lo que el valor de la sobrecarga de entrepiso es de 22.0 kN/m2. Se considerar adems una sobrecarga til debido a un puente gra de 50 kN aplicando en los prticos indicados en las Figura 1 y Figura 3

4.1.3. Acciones de Viento:En esta seccin se describe el procedimiento general para la obtencin de las acciones de viento sobre la estructura considerando sus efectos estticos segn el Reglamento CIRSOC 102 Accin de viento sobre las construcciones. Los pasos para la obtencin de las acciones sobre los laterales y cubierta de la planta industrial se resumen a continuacin: 1. Determinacin de la velocidad de referencia ( ) Se obtiene de figura o tabla en funcin de la ubicacin de la construccin. Para el desarrollo del Trabajo Prctico se consider emplazada en la ciudad de Rosario. 2. Clculo de la velocidad bsica del diseo (Vo) La velocidad bsica del diseo Vo se calcular mediante la siguiente expresin:V0 = cp

Siendo: Vo la velocidad bsica de diseo, expresada en metros por segundo. cp el coeficiente de velocidad probable, que toma en consideracin el riesgo y el tiempo de riesgo adoptados para la construccin. 3. Clculo de la presin dinmica bsica (qo) La presin dinmica bsica qo se calcular mediante la expresin siguiente:q 0 = 0.000613 Vo

Siendo: qo la presin dinmica bsica, expresada en kilonewton por metro cuadrado. (1 kN/m2 100 kgf/m2); Vo la velocidad bsica de diseo, expresada en metros por segundo. 4. Determinacin de la presin dinmica de clculo (qz) La presin dinmica de clculo qz se calcular mediante la expresin siguiente:q z = qo cz cd

Siendo: qz la presin dinmica de clculo, expresada en kilonewton por metro cuadrado qo la presin dinmica bsica, expresada en kilonewton por metro cuadrado


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cz el coeficiente adimensional que expresa la ley de variacin de la presin con la altura y toma en consideracin la condicin de rugosidad del terreno. cd el coeficiente adimensional de reduccin que toma en consideracin las dimensiones de la construccin. 5. Determinacin de las acciones de viento sobre la estructura (W) Las acciones de viento sobre los laterales y cubierta resultar de la aplicacin de la frmula siguiente:W = c qz

Siendo: W la presin de viento sobre la nave industrial en en kilonewton por metro cuadrado qz la presin dinmica de clculo, expresada en kilonewton por metro cuadrado c el coeficinte de viento resultante de la suma del coeficiente de presin interior ci y el coeficiente de presin exterior ce y depende de las dimensiones y la forma de la estructura.

4.2. Combinaciones de CargaSe adoptaron las combinaciones de cargas establecidas en la publicacin Estructuras Metlicas basadas en las Especificaciones AISC 1993. Debern considerarse para el diseo los valores ms desfavorables que resulten de combinar los efectos de las cargas gravitatorias, sobrecargas tiles y la presin de viento sobre la construccin, actuando en forma independiente segn dos direcciones ortogonales. En funcin de lo expuesto se determinaron las siguientes combinaciones de acciones: (a) 1.4 Peso Propio (b) 1.2 Peso Propio + 1.6 Sobrecarga de equipos + 0.5 Sobrecarga til de cubierta (c) 1.2 Peso Propio + 1.6 Sobrecarga de equipos + 0.8 Viento X (d) 1.2 Peso Propio + 1.6 Sobrecarga til de cubierta + 0.8 Viento Y (e) 1.2 Peso Propio + 1.3 Viento X + 0.5 Sobrecarga til de cubierta + 0.5 Sobrecarga de equipos (f) 1.2 Peso Propio + 1.3 Viento Y + 0.5 Sobrecarga til de cubierta + 0.5 Sobrecarga de equipos (g) 1.2 Peso Propio + 0.5 Sobrecarga de equipos (h) 0.9 Peso Propio + 1.3 Viento X (i) 0.9 Peso Propio + 1.3 Viento Y


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5. Anlisis y Evaluacin EstructuralEn este apartado se presentan los pasos seguidos para la elaboracin del modelo numrico y los resultados obtenidos para las diferentes combinaciones de cargas descriptas. Los anlisis que aqu se presentan dan origen a las solicitaciones que se resumen y que se muestran en presente documento.

5.1. Elaboracin del Modelo numrico de anlisisPara la modelacin de la planta industrial no se adoptaron Templates sino que se representaron los elementos estructurales por medio de barras, con la ayuda de una grilla. El grfico resultante, como se observa en la Figura 6 es la base para asignar las secciones, materiales y cargas a los elementos constitutivos de la estructura.

Figura 6 Esquema general de la nave industrial en 3D. Sobre el esqueleto del modelo se definieron las secciones de vigas y columnas del men principal Define Frame Section, tal como se indica en la Figura 7


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Figura 7 Definicin de secciones de los elementos estructurales. Luego de definir las secciones y los materiales, en el siguiente paso se asignaron dichas propiedades a los elementos. Para ello se seleccion cada barra y se adopt alguna seccin previamente definida del men principal Assign, Frame, Frame Section tal como se observa en la Figura 8


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Figura 8 Asignacin de secciones de los elementos estructurales. Asignados las dimensiones a elementos, las barras del modelo pueden verse como lo muestra la Figura 9


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Figura 9 Vista en 3D de los elementos del modelo numrico. En segundo lugar se definieron los sistemas de cargas que actuarn sobre las vigas, del men principal Define Load Cases, tal como se indica en la Figura 10

Figura 10 Definicin de los sistemas de carga.


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El factor Self Weigth Multiplier tiene el valor 1 solo para la carga DEAD correspondiente al peso propio, no as el resto de los sistemas definidos. Esto quiere decir que no se va a considerar el peso propio en las cargas donde el factor sea 0. Luego de definir los sistemas de carga, el paso siguiente es aplicarlos a los elementos estructurales, para cual se selecciona el elemento donde se va a aplicar la carga y luego del men principal la opcin Assign, Frame Loads, Distributed como se observa en la Figura 11

Figura 11 Asignacin de los sistemas de carga. Las cargas aplicadas al modelo se muestran en las figuras siguientes: Figura 12 y Figura 13


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Figura 12 Cargas en el prtico frontal debidas al viento en una direccin.

Figura 13 Cargas en el prtico lateral debidas al viento en una direccin. Finalmente se asignaron las condiciones de vnculo de la estructura, para lo cual se seleccionaron las juntas y del men principal las opciones Assign, Joints, Restraints. Se adoptaron soportes articulados con restriccin de desplazamientos en las direcciones x e y en una direccin y empotrados en la direccin donde no existen arriostramientos laterales para soportar las cargas de viento, como se indica en la Figura 14


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Figura 14 Condiciones de Borde El procedimiento desarrollado corresponde a la entrada de datos al programa. La etapa siguiente consiste en resolver el problema y dar una solucin, para lo cual se selecciona del men Analyze, la opcin Run.

5.2. Resultados obtenidosLos resultados obtenidos del modelo numrico permiten estudiar el comportamiento global de la estructura y las solicitaciones que el sistema de cargas provoca en los elementos componentes. En las figuras siguientes se indica esquemticamente los grficos obtenidos para una combinacin de acciones escogida. Los valores de momentos, cortes y desplazamientos para cada una de las combinaciones de acciones propuestas pueden importarse a Excel para obtener los resultados precisos en cada punto o elemento.


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W

Figura 15 Deformada del prtico frontal para las cargas de viento en la direccin indicada.

W

Figura 16 Diagrama de momentos para viento actuando en la direccin indicada


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W

Figura 17 Esfuerzos obtenidos para el elemento indicado, resultante de la accin de viento W.


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W

Moment 3-3

W

Shear Force 2-2 Figura 18 Diagrama de Momentos y Cortes correspondientes.


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