Capitulo II (Naves Industriales)

7/31/2019 Capitulo II (Naves Industriales)

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ESTRUCTURACION

Dr. Julio Csar Roln Aguilar

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2. SISTEMASESTRUCTURALES

En la eleccin del sistema estructural son importantes el tipo y magnitud del esfuerzo a que estar

sometida la estructura, las caractersticas de las solicitaciones y la geometra de la estructura considerada

como un conjunto.

Las Estructuras se pueden construir de:

- Madera

- Mampostera

- Concreto

- Acero

- Combinaciones de estos materiales

Muros de Carga

La primera forma estructural empleada consista en un sistema de pisos ( losa y trabe) apoyados

sobre muros que transmitian la carga a la cimentacin y el suelo.

Originalmente los elementos horizontales de carga fueron de madera, hasta principios del siglo

pasado en que empezaron a utilizarse las vigas de acero para posteriormente utilizar el concreto reforzado.

Este sistema es an utilizado en edificios de habitacin de poca altura en los que los muros son

utilizados como muros de carga y adems dividen el interior del edificio.

Se supone que estos muros no se van a destruir posteriormente ya que forman parte integral de la

estructura; en este tipo de estructuracin los muros son de block o tabique, confinados por castillos y

cadenas, su espesor puede alcanzar valores prcticos mximos de 28 cm.

Al aumentar la altura de los edificios, el grosor de los muros de los niveles inferiores aumenta, lo queorigina una prdida de rea til cada vez ms grande. Por este motivo este sistema est limitado a edificacin

de poca altura.

Se tienen noticias de que en 1891 la construccin a base de muros de mampostera alcanz su

mximo desarrollo en Chicago con el edificio Monadnock de 17 pisos (64 m) de altura y con muros en planta

baja de 2.14 m de espesor.


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TIPOS DE SISTEMAS ESTRUCTURALES

SISTEMA DE VIGAS Y COLUMNAS

SISTEMA DE LOSA PLANA

CON CAPITELES EN COLUMNAS

SISTEMA DE LOSA PLANA


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LOSARETICULAR

PLANA

COLUMNAS

MURO DECONCRETO

COLUMNA

MURODE

CONCRETO

TRABE

LOSA

MUROS DE CONCRETO,

COLUMNAS, Y LOSA PLANA

O RETICULAR

MUROS DE CONCRETO,

COLUMNAS, Y LOSAS

LOSADECONCRETO

MURODE

CARGA

LOSA

PLANA

COLUMNAS

LOSA PLANAO

RETICULAR

COLUMNAS

LOSA

TRABES

COLUMNAS

MUROS DE CARGA

Y LOSA

COLUMNAS Y

LOSA PLANA

COLUMNAS Y

LOSA RETICULAR

O PLANA

COLUMNAS

TRABES Y LOSA

TIPOS DE ESTRUCTURAS


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HAGASE EVITESE COMENTARIOS

Asimetra de los miembros

resistentes del cortante horizontal.

Problemas de anlisis y torsin.

Torres de acceso que se proyectan.Problemas con anlisis y detalle

Mal, por efectos asimtricos

Tngase cuidado delcomportamiento diferencial en losextremos opuestos de edificioslargos.

Buena simetra, anlisis menosfcil.

Ideal por comportamiento y anlisis.

Aunque simtricas, las alas largasimplican problemas en la prediccindel comportamiento.

REGLAS DE DISTRIBUCION EN PLANTA


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REGLAS PARA FORMAS EN ALZADOS

HAGASE EVITESE COMENTARIOS

Los efectos de remetimiento defachadas no pueden predecirsemediante los anlisis estticosequivalentes comunes de losreglamentos.

b

h < 4b

b

h > 4b

REGLAS PARA MARCOS VERTICALES

Evitar la baja continuidad de voladizos,

no hay mecanismo de falla seguro

Los edificios muy esbeltos tienendeformaciones horizontalesexcesivas.

Evitar cambios de rigideces con laaltura.Problemas de anlisis y detallado.

Comentarios similares a los de arriba.Puede demostrarse que el "piso suave"es vulnerable.

Muro de cortante


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ESTRUCTURACION


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Sistema de Tubo

El sistema ms reciente para edificios altos es el tipo de Tubo, que consiste en un arreglo perimetralde columnas exteriores colocadas muy cerca entre s e interconectadas con vigas, lo que proporciona una

enorme rigidez a los edificios muy altos. Este sistema evolucion el sistema denominado Tubo con Tubo, se

trata de un ncleo rgido en la parte central del edificio dentro de la estructura tubular, este ncleo

generalmente se emplea para elevadores, escaleras, ductos e instalaciones.


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Tipologas Estructurales: Naves Industriales

Una nave industrial (o un edificio en general) se concibe con elUna nave industrial (o un edificio en general) se concibe con el objetivo de cerrarobjetivo de cerrar

un espacio fsico. El papel que juega la estructura es el de proun espacio fsico. El papel que juega la estructura es el de proporcionar laporcionar la

resistencia y la rigidez necesarias a los elementos del cerramieresistencia y la rigidez necesarias a los elementos del cerramiento.nto.

La estructura debe ser capaz deLa estructura debe ser capaz de soportarsoportaryy transferirtransferir(a cimentacin) las cargas(a cimentacin) las cargas

que recibe.que recibe.

El diseo estructural debe partir por tanto de la identificacinEl diseo estructural debe partir por tanto de la identificacin de las cargas, y ade las cargas, y a

partir de ah escoger aquella tipologa estructural que sea capapartir de ah escoger aquella tipologa estructural que sea capaz de transferirz de transferir

adecuadamente dichas cargas. En general la respuesta nunca seradecuadamente dichas cargas. En general la respuesta nunca ser nica, ni en lonica, ni en lo

referente al tipo de estructura ni en lo referente a los materiareferente al tipo de estructura ni en lo referente a los materia les a emplear en sules a emplear en su

construccin.construccin.

Generalmente: planta rectangular (y en muchos casos, slo plantabaja)

Se busca lograr estructuras de bajo coste y mxima sencillez

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Tipologas Estructurales: Naves IndustrialesIntroduccin

estructuras muy regulares en planta:

repetitivas facilidad de clculo y

ejecucin

Elementos estructurales que conforman la nave: ORGANIZACIN CONSTRUCTIVA

4:8m

10:30m


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Tipologas Estructurales: Naves IndustrialesIntroduccin

Tipologa bsica

con muros de carga: naves de pequeas dimensiones

porticadas: naves de mayores dimensiones o si la nave se plantea concerramientos ligeros en lugar de muros de carga

Nos vamos a centrar en edificios de una nave porticada con estructura metlica

Tambin influyen en la organizacin de la nave otros factores ligados a su

utilizacin: Necesidad de iluminacin (natural): origen, e.g., de las naves en diente

de sierra

Presencia de maquinaria importante: requerir, e.g., cimentacinindependiente

Puentes gra: en el clculo de la nave se debern considerar las fuerzasde funcionamiento y frenado de la viga puente

etc.

( (

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Tipologas Estructurales: Naves IndustrialesSolicitaciones

Carga permanente

Viento

Nieve

Sismo

Temperatura: 20C

( Puentes gra )

se traduce en acciones:

FV: Fuerzas verticales

FL : Fuerzas longitudinales

FT: Fuerzas transversales

OBJETIVO: ESTRUCTURA ESTABLE FRENTE AOBJETIVO: ESTRUCTURA ESTABLE FRENTE A

CUALQUIER SOLICITACIN EXTERIORCUALQUIER SOLICITACIN EXTERIOR

deben ser absorbidas

por los prticostransversales

son resistidas en general por los prticos

transversales sin necesidad dearriostramientos adicionales (slo en el

caso de prticos no estables frente a FThabra que disponer riostras que

transmitieran la carga hasta los prticoshastiales)

en general los prticos hastiales no tienen rigidez suficiente frente a F LY hay que transmitir los esfuerzos a los prticos laterales mediante

vigas contraviento y/o arriostramientos en faldones de cubierta


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3

5

Solicitaciones

Puentes gra

Sa~Pa/10

Ha~Pa/7

6

Correas

senpqq

wpwqq

xx

yy

***

*****

'

cos'


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Correas

Disposiciones constructivas para reducir la influencia de la flexin respecto al eje dbil

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Correas


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Correas

Apoyo y continuidad de correas

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Prticos Transversales

Los prticos transversales deben absorber los empujes horizontales transversales y recibirlas cargas que actan sobre la cubierta

(cmo lograr la estabilidad frente a acciones verticales (FV) y acciones horizontales transversales (FT))

Tipologa bsica

El dimensionado frente a acciones verticales

es inmediato

Para lograr la estabilidad transversal existen

dos formas:

Con cerchas Con perfiles

naves ms difanas pero de mayor peso (hasta un 20%)

es habitual disponer elementos de seccin variable, ya

que las mayores solicitaciones suelen presentarse en

los nudos extremos, no resultando econmico

mantener la seccin constante en toda la barra

(Adems: las zonas reforzadas incrementan sus

solicitaciones, disminuyendo en el resto)

1. Con ayuda de vigas de arriostramiento que transmitan las cargas a los prticos hastiales

MECANISMO

hay que disponer vigas contraviento a todo lo largo de la nave hasta

transmitir la carga a los prticos hastiales, que deben dimensionarse

para resistir y transmitir a cimentacin los empujes horizontales

(este sistema resulta especialmente antieconmico en caso de naves

largas y, en general, resulta poco empleado)( )


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2.2. La estructura transmite directamente los empujes horizontales aLa estructura transmite directamente los empujes horizontales a cimentacincimentacinsinsin necesidad de vigas denecesidad de vigas de arriostramientoarriostramiento

e.g., disposiciones habituales para el caso de prticos a dos age.g., disposiciones habituales para el caso de prticos a dos aguas son:uas son:

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EMPOTRADOEMPOTRADO: este esquema reduce: este esquema reduce

los momentos mximos en laslos momentos mximos en lasbarras y proporciona mayor rigidezbarras y proporciona mayor rigidez

frente a acciones horizontales, perofrente a acciones horizontales, pero

las cargas en cimentacin sonlas cargas en cimentacin son

mayores y puede requerir sistemasmayores y puede requerir sistemas

de anclaje relativamente complejos.de anclaje relativamente complejos.

Es la disposicin ms desfavorableEs la disposicin ms desfavorable

frente afrente a T por ser la msT por ser la ms

hiperestticahiperesttica

GHT=3GHT=3

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BIARTICULADOBIARTICULADO: este esquema produce: este esquema produce

menores cargas en cimentacin, peromenores cargas en cimentacin, pero

mayores momentos mximos en lasmayores momentos mximos en las

barras que en el caso empotrado.barras que en el caso empotrado.

GHT=1GHT=1

TRIARTICULADOTRIARTICULADO ((isostticoisosttico): los): los

momentos mximos en las barras sonmomentos mximos en las barras son

mayores que en el caso biarticulado.mayores que en el caso biarticulado.

LosLos T no provocan esfuerzosT no provocan esfuerzos

GHT=0GHT=0


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Pandeo transversal del cordn superior de la celosa


Arriostramiento transversal del cordn inferior

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Pilares


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PilaresLongitudes de pandeo en prticos de piezas de alma llena

Longitudes de pandeo en prticos con dintel cercha

en el plano del prtico =1 en caso de unin rgida (pilar biempotrado desplazable)

=2 en caso de unin articulada

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Tipologas Estructurales: Naves IndustrialesEntramados Frontales

Los prticos hastiales reciben adems cargas de viento normalesLos prticos hastiales reciben adems cargas de viento normales a su plano (Fa su plano (FLL) que) que

transfieren a cimentacin y a l as vigas contraviento encargadastransfieren a cimentacin y a las vigas contraviento encargadas de transmitir dichas cargas ade transmitir dichas cargas a

los prticos lateraleslos prticos laterales


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Tipologas Estructurales: Naves IndustrialesEntramados Frontales

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Tipologas Estructurales: Naves IndustrialesPrticos Laterales

Los paredes laterales deben absorber :Los paredes laterales deben absorber :

los empujes del viento sobre los muros hast ialeslos empujes del viento sobre los muros hastiales

las fuerzas de frenado longitudinal de los puentes gralas fuerzas de frenado longitudinal de los puentes gra

(Para ello puede que baste con el propio cerramiento o con que l(Para ello puede que baste con el propio cerramiento o con que los pilares estos pilares estnn

empotrados en esta direcciempotrados en esta direccin)n)

En caso contrario habrEn caso contrario habr que disponer arriostramientos que lleven hasta cimentacique disponer arriostramientos que lleven hasta cimentacinn

dichas accionesdichas acciones

(cmo lograr la estabilidad frente a acciones horizontales longitudinales (FL))


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Mtodos de Anlisis

El anlisis estructural implica un conocimiento de las solicitaciones que obran sobrela estructura y de las dimensiones de sus elementos.

Estos datos son imprecisos cuando se inicia el diseo, ya que solo se conocen en forma aproximada

las dimensiones que tendrn los elementos.

Mediante un proceso cclico el proyectista va ajustando los datos iniciales (dimensiones de los

elementos) a medida que va precisando el anlisis.

Solamente en la fase final de este proceso se hace un clculo numrico relativamente refinado.

Resumiendo lo anterior, tenemos que la finalidad del anlisis estructural es conocer los elementos

mecnicos a que estarn sujetos los elementos de la estructura y el comportamiento que este presentar

debido a las solicitaciones.

Mtodos de Anlisis

Mtodo de las Fuerzas Mtodo de las flexibilidades

Mtodo de las Rigideces

Mtodo de las Deformaciones Mtodo de Cross

Mtodo de Kani

Mtodo del Portal

Mtodos Aproximados Mtodo del Cantilever

(Cargas Horizontales) Mtodo de Bowman

Mtodo del Factor


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Anlisis Estructural

Datos necesarios para resolver un problema tpico de estructuras:

1. Geometra de la estructura:

Se refiere a las dimensiones de los elementos y a las dimensiones entre ejes (esto

se obtiene de un prediseo).

2. Propiedades mecnicas de los materiales:Mdulo de Elasticidad (E)

Ec = 10,000 f'c kg/cm2 - concreto

Es = 2 X 106 kg/cm2 -acero

3. Solicitaciones:

Se considera el peso propio de los elementos, Carga Viva, Sismo y Viento.

* Las incognitas son:

a). Desplazamientos en puntos crticos de la estructura.

b). Deformaciones en las barras

c). Esfuerzos internos en los elementosGeneralmente, en lugar de esfuerzos se obtienen los elementos mecnicos:


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Mtodos de Diseo

1. Mtodo de los esfuerzos de trabajo o esfuerzos Permisibles (Mtodo Elstico)

Consiste en el proceso siguiente: Las acciones internas (carga axial, momentos, fuerzas cortantes y

torsiones) inducidas en los distintos elementos de las estructuras por las solicitaciones de servicio o de trabajo

que actan sobre estas, se calculan por medio de un anlisis elstico.

Se determinan despues los esfuerzos producidos en las distintas secciones por las acciones internas,

por mtodos tambin basados en hiptesis elsticas.

Los esfuerzos de trabajo as calculados deben mantenerse por debajo de ciertos valores de

esfuerzos permisibles que se consideran aceptables.

2. Mtodo de Resistencia Ultima (Mtodo Plstico)

Las acciones internas que las solicitaciones externas producen sobre las estructuras, se determinan

por medio de un anlisis elstico, como en el caso anterior.

Los elementos de la estructura se dimensionan de tal manera que su resistencia a las diversas

acciones de trabajo a las que puedan estar sujetas sea igual a dichas acciones multiplicadas por un factor

de carga de acuerdo con el grado de seguridad deseado.


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Caractersticas de los materiales

CARACTERISTICAS DEL ACERO.

Comportamiento mecnico

Las caractersticas ms importantes del acero se desprenden de las curvas esfuerzo() deformacin

() obtenidas mediante ensayos de Tensin estandarizados.

Es importante referir los ensayes a probetas y mtodos estndar, puesto que los resultados difieren

segn el tamao y la forma de las muestras y los procedimientos de prueba.

Para obtener una grfica(nominal) se calculan los esfuerzos correspondientes a distintos niveles

de carga, dividiendo la fuerza aplicada (F) entre el rea original de la seccin(A):

= F / A

Las deformaciones unitarias se obtienen dividiendo el alargamiento (L) entre la longitud original

de medicin(L).

= L / L

Los aceros utilizados en la construccin se pueden dividir en 2 grupos:

1. Los que tienen un lmite de fluencia definido (aceros laminados en caliente)

2. Los que no tienen lmite de fluencia definido (aceros trabajados en fro)

1 2

No exhiben zonasde fluenciahorizontal

ftfy

( ESQUEMTICO )


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El punto donde el acero cambia del estado elstico al estado plstico, esto es donde empieza a fluir el acero,

se denomina: lmite de fluencia (fy).

La resistencia al esfuerzo cortante (fv) es importante y puede considerarse que es del orden

del 75% de la resistencia a la tensin.

El mdulo de elasticidad correspondiente a las porciones rectas en la zona elstica de las

curvas esfuerzos-deformacin vara poco entre los diversos tipos de acero por lo que se

puede tomar como:

Es = 2 x 106

kg/cm2

La relacin de Poisson ( ) es el cociente entre las deformaciones transversales a horizontales.

(t/v), en el acero, este parmetro vara entre 0.25 y 0.33

El peso volumtrico del Acero se puede tomar como: 7.8 t/ m 3

Ventajas del acero como elemento estructural

1. Bajo peso volumtrico2. Alta resistencia a la tensin y compresin

3. Posibilidad de prefabricacin de seccin o perfiles.

Desventajas:

1. Costo

2. Mantenimiento3. Baja resistencia a la corrosin.

Los aceros utilizados para la fabricacin de varillas se utilizan tanto de acero laminado en caliente

como aceros trabajados en fro.


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Y este ndice de resistencia del concreto se define como ( f c )

= f c = P / A kg / cm

15

cm

30 cmforma de falla

CARACTERISTICAS DEL CONCRETO

El concreto simple es el material que se obtiene al mezclar cemento portland - agregados petreos- agua en cantidades convenientes.

El concreto es uno de los materiales de construccin ms usados en ingeniera civil y entre sus

principales ventajas se pueden sealar:

* Alta resistencia a la compresin

* Durabilidad

* Resistencia al intemperismo* Facilidad de fabricacin

Desventajas:

* Alto peso volumtrico ( 2.2 T / m )

* Baja resistencia a la tensin

* Baja resistencia a los cambios volumtricos que sufre con el tiempo

* Permeabilidad, an el mejor concreto no es enteramente impermeable porque contiene

compuestos que pueden dejar pasar en mayor o menor grado el agua.

La calidad de un concreto se define como su resistencia a la compresin de un cilindro de 15 cm

de dimetro por 30 cm de altura.


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Laresistencia a la tensin del concreto se obtiene mediante la prueba brasilea ensaye

brasileo, que consiste en someter un cilindro a compresin lineal diametral.

C

Los valores que se obtienen en sta prueba son aprox. del 10 % de la resistencia a la compresin.

Laresistencia al cortantedel concreto, representa aprox. un 20 % del valor de la resistencia a

la compresin.

Resumen:

f c (kg/cm) Usos estructurales

100 Firmes

150 Dalas, cadenas

200 Trabes, losas

250 Columnas

300,400 Concreto presforzado

Tensin : 0.10 f c

Cortante : 0.20 f c

Compresin : f c ={


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Mdulo de elasticidad del concreto

Cargas de corta duracin no es vlido usar mdulo de elasticidad

El mdulo de elasticidad es funcin de la resistencia del concreto y de su peso volumtrico.

ACI propone Ec = W 1.5 (4270) fc para valores de 1.4 < w < 2.5

Donde: w = peso volumtrico del concreto en t / m

fc = resistencia a la compresin en kg / cm

RDF propone Ec = 10,000 fc

G = 0.40 Ec Mdulo de elasticidad al esfuerzo cortante

= 0.12 - 0.20 Coeficiente de Poisson

0.001 0.002 0.003 0.004 Ec = / L

100

200

300

P / A = f c

El concreto no es un material

elstico lineal

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