Determinación de Cargas en Un Galpón

Universidad de la Frontera.Facultad de Ingeniería, Ciencias y Administración.

Departamento de Ingeniería Mecánica.

DETERMINACIÓN DE TIPOS Y MAGNITUDES DE CARGAS EN UN GALPÓN.

Informe N 2.

NOMBRE: Anónimo1.

CARRERA: Ing. Mecánica.

PROFESOR: Anónimo2.

FECHA: 14/05/2013.

UNIVERSIDAD DE LA FRONTERADETERMINACIÓN DE TIPOS Y MAGNITUDES DE CARGAS EN UN

GALPÓN.

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1.1. Resumen.

Los sistemas de galpones industriales son utilizados en la industria para cubrir grandes zonas de trabajos, en los cuales se mantienen ya sea maquinaria y/o productos almacenados. Además estos deben cumplir con las normas vigentes, hecho que se debe tener considerado a la hora de comenzar el análisis para una futura construcción.

A continuación se determina las diferentes cargas a las que están sometidos los elementos constituyentes del Galpón, como lo son las cerchas y costaneras en la parte superior, y los pilares que sostienen la estructura. Se consideraran las normas vigentes que considera la acción del viento y las sobrecargas de la nieve, de igual manera se debe considerar el peso propio como cargas permanentes para luego realizar las combinaciones de cargas correspondientes a lo pedido.


GALPÓN.

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1.2. Índice.

1.1. Resumen.......................................................................................................................2

1.2. Índice............................................................................................................................3

1.3. Introducción.................................................................................................................4

1.4. Objetivos......................................................................................................................5

2. Planteamiento del problema............................................................................................6

2.1. Problema. 6

2.2. Resultados Solicitados 6

2.3. Vistas del diseño de la estructura. 7

3. Método de las Áreas Tributarias......................................................................................9

4. Cálculos.........................................................................................................................11

4.1. Cargas Permanentes. 11

4.2. Sobrecargas producidas por la Nieve. 14

4.3. Cargas debido al Viento. 19

5. Cálculos solicitados.......................................................................................................25

5.1. Cerchas Internas 25

5.2. Cerchas Extremas. 26

5.3. Pilares Internos. 28

5.4. Pilares Extremos 28

5.5. Costaneras Internas.29

5.6. Costaneras Extremas. 31

Conclusiones.........................................................................................................................33

Bibliografía...........................................................................................................................34


GALPÓN.

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1.3. Introducción.

Es muy importante en la actualidad poder determinar las cargas que influyen a la hora de diseñar una estructura, esto permite dimensionar el material a utilizar, dándonos así la posibilidad de construir una estructura que soporte las cargas de uso y cargas por factores externos, esto se detalla en normas que fueron ideadas dependiendo de la zona de construcción, y las condiciones naturales, considera también tipos de terreno, Lluvia, Nieve, Viento y Sismos. Todos estos factores deben ser considerados.

Para determinar las cargas en los distintos elementos se utilizara el método de Áreas Tributarias, el cual nos permitirá determinar las cargas puntuales en cada nodo y cargas distribuidas linealmente.

1.4. Objetivos.

1.4.1. General: Se pide determinar las magnitudes de las cargas de Peso Propio, Viento y Nieve

sobre las costaneras, pilares y armaduras.

1.4.2. Específicos: Determinar el resultado de combinación de cargas.

-Cargas permanente + sobrecarga de Nieve.-Solo cargas de Viento.-Cargas permanentes + cargas de Viento + sobrecarga de Nieve.

Utilizar método de Áreas Tributarias para efectos de la determinación de las cargas sobre los componentes estructurales

Elaborar un programa computacional usando el Software Mathcad, que entregue los resultados solicitados solo ingresando los datos de entrada.


GALPÓN.

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2. Planteamiento del problema.2.1. Problema.

Para el sistema estructural de un galpón tipo, conformado por marcos metálicos, compuestos de cerchas y pilares, y costaneras, determinar los tipos y magnitudes de carga externa que afectan a las armaduras y los elementos usados como costaneras y pilares si se dan las siguientes condiciones:

•El galpón, localizado en los sectores periféricos de la ciudad de Temuco, constituye una construcción cerrada expuesta a la acción del viento, la nieve y a su peso propio.

•Las costaneras constituyen los primeros elementos estructurales sobre los que descansa la cubierta superior (zinc, aislante, madera) y se sitúan a una distancia de 64 cm una respecto de la otra sobre las cerchas (proyección horizontal de distancia entre costaneras igual a 60 cm).

•Los marcos – cerchas y pilares- se sitúan a una distancia de 6m uno respecto del otro.

•El efecto viento debe atenerse a lo especificado en la NCh432.Of71 (recomendable utilizar Tabla 1 e interpolación).

•El efecto nieve debe atenerse a lo especificado en la NCh431.Of77

•Peso de cubierta igual a 15 kg/m2; Peso costaneras igual a 5 kg/m2; Peso cerchas igual a 20 kg/m2.

2.2. Resultados Solicitados

Se pide determinar las magnitudes de las cargas sobre las costaneras, los pilares y sobre las armaduras consideradas las tres condiciones siguientes (entregar tres respuestas por cada elemento estructural):

a) Solo cargas permanentes + sobrecarga de nieve

b) Solo cargas debido al viento

c) Combinación cargas permanentes + sobrecarga de nieve + viento


GALPÓN.

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2.3. Vistas del diseño de la estructura.

Figura N° , Vista Isométrica del Galpón Tipo.

Figura N° , Vistas Frontal y Vista Superior del Galpón.

Figura N° , Detalle de las Cerchas.


GALPÓN.

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Figura N° , Detalla la distancia entre Costaneras y Material de la Cubierta.

Figura N° , Condición de Viento, Nch432.Of71.


GALPÓN.

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3. Método de las Áreas Tributarias.

Corresponde al área de planta total que, multiplicada por la carga uniformemente distribuida correspondiente, se considera actuando sobre un elemento.

•Las áreas tributarias se determinan en base a supuestos o reglas muy simplificatorias, de modo que las cargas calculadas y sus distribuciones no son necesariamente las reales.

•Tales reglas deben usarse juiciosamente, limitando su aplicación a aquellos casos en que no se esperan diferencias substanciales con un procedimiento más riguroso.

Figura N° , Diagrama que explica la concentración del Área Tributaria.


GALPÓN.

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Figura N° , Fuerza distribuida llevada a fuerza concentrada o puntual.


GALPÓN.

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4. Cálculos.4.1. Cargas Permanentes.

Para el cálculo de las cargas permanentes se realizara una sumatoria del peso por unidad de área de cada elemento, como es la cubierta, las costaneras y la cercha, el total será de 40 Kg/m2.

Se utiliza el método de Área Tributaria explicado en la sección anterior.

4.1.1. Para las cerchas.

Cerchas Intermedias.

Ahora se lleva esta presión como fuerza a los nodos tanto internos como los extremos.

Figura N° , cercha intermedia sometida a carga del peso propio.


GALPÓN.

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Cerchas Extremas.


Figura N° , cercha de un extremo sometida a carga del peso propio.

4.1.2. Para los pilares.

P. Internos.

Los pilares soportan la carga permanente de la estructura, al realizar la sumatoria de fuerza en el eje Y se obtienen la reacción ejercida por los pilares.

P. Extremos.

Se realiza el mismo procedimiento anterior para este cálculo.


GALPÓN.

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Figura N° , fuerza transmitida a los pilares.

4.1.3. Para las costaneras.

Costaneras Internas.

Se realiza la sumatoria del peso propio de la cubierta más el peso propio de la costanera, dando una carga por unidad de área de 20 Kg/m2.

Ahora se debe de descomponer la presión en las costaneras en componente tangencial y perpendicular a la superficie con el ángulo de inclinación de las cerchas.

Costaneras Extremas.



GALPÓN.

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Figura N° .

4.2. Sobrecargas producidas por la Nieve.

Para el cálculo de sobrecargas producidas por la nieve, nos guiaremos por la Norma Chilena, Nch431, en la cual se especifica en su ANEXO A (pág.10), “Coordenadas geográficas y altitudes de algunas ciudades y lugares del país”.

Tabla 1, extracto ANEXO A, Nch431.

En dicho ANEXO se especifica que la ciudad de Temuco se localiza en:

Latitud 38° 44’, Longitud 72° 37’, Altitud 114 m.


GALPÓN.

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Con este dato ingresamos a la TABLA 2 (pág. 5), “sobrecargas básicas mínimas de nieve”.

Tabla 2, extracto Tabla 2, Nch431.

Donde se especifica que para tal altura y rango de coordenadas la carga de Nieve será de 25Kg/m2.




Figura N° .


GALPÓN.

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Cerchas Extremas.


Figura N°


P. Internos.

Los pilares soportan la carga permanente de la estructura, al realizar la sumatoria de fuerza en el eje Y se obtienen la reacción ejercida por los pilares.

P. Extremos.

Se realiza el mismo procedimiento anterior para este cálculo.


GALPÓN.

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Figura N°



Se realiza la sumatoria del peso propio de la cubierta más el peso propio de la costanera, dando una carga por unidad de área de 20 Kg/m2.





GALPÓN.

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Figura N°

4.3. Cargas debido al Viento.

Para determinar las cargas debido al viento nos guiaremos por la Norma Chilena Nch432_1971, en la TABLA 1 (pág. 9), “presión básica para diferentes alturas sobre el suelo”. En la tabla se muestra:

Tabla 3, presión básica para diferentes alturas sobre el suelo.

Para determinar la presión del viento sobre nuestra estructura se debe interpolar, para los pilares se calculara con una altura de 4m y para las cerchas de 9m.


GALPÓN.

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Se interpola para una altura de 9m.

Es importante conocer el ángulo α que es de 18.43°


Sotavento.

Para este caso la presión se calcula de acuerdo a la expresión:


Barlovento.

Para este caso la presión se calcula de acuerdo a la expresión:



GALPÓN.

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Figura N° , cercha intermedia.

Cerchas Extremas.

Sotavento.


Barlovento.



GALPÓN.

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Figura N° , cercha de un extremo.


Sotavento.

En este caso la presión del aire se conoce por la siguiente expresión:

P. Internos.

P. Extremos.

Barlovento.

En este caso la presión del aire se conoce por la siguiente expresión:

P. Internos.


GALPÓN.

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P. Extremos.

Figura N°


GALPÓN.

22


Sotavento. Se calcula tanto para las cerchas internas como para las extremas.


Costaneras Extremas. Pci= PA*dc = -1.38*0.12= -0.44 Kg/m

Barlovento. Se calcula tanto para las cerchas internas como para las extremas.




GALPÓN.

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Figura N° , se muestra la diferencia de presión en cada costanera, internas como externas, y también donde actúa el Sotavento y Barlovento.


GALPÓN.

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5. Cálculos solicitados.5.1. Cerchas Internas

A) Cargas permanentes + Sobrecarga de Nieve.

Nodos internos= 480 +300 = 780 Kg Nodos extremos= 240 +150 = 390 Kg

Figura N°

B) Solo cargas debido al Viento.

Se resume de los cálculos

Figura N°


GALPÓN.

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C) Cargas permanentes + Sobrecarga de Nieve + Viento. Sotavento Nodos internos= 480 +300 -15.71= 764.29 Kg Nodos extremos= 240 +150 - 7.86= 382.4 Kg

Barlovento Nodos internos= 480 +300 -305.1= 764.29 Kg Nodos extremos= 240 +150 - 152.5= 382.4 Kg

Figura N° , combinación de las 3 cargas.

5.2. Cerchas Extremas. A) Cargas permanentes + Sobrecarga de Nieve.

Nodos internos= 240+150 = 390 Kg Nodos extremos= 120 +75 = 195 Kg

Figura N°


GALPÓN.

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Se resume de los cálculos

Figura N°

C) Cargas permanentes + Sobrecarga de Nieve + Viento. Sotavento Nodos internos= 240+150 -7.86= 382.14 Kg Nodos extremos= 120 +75 – 3.93= 191.1 Kg

Barlovento Nodos internos= 240+150 -152.5= 237.5 Kg Nodos extremos= 120 +75 – 25.42= 169.5 Kg

Figura N°


GALPÓN.

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5.3. Pilares Internos.


1440Kg +900Kg= 2340Kg en cada pilar interno.

B)Solo cargas debido al Viento.

Sotavento 289.56 Kg/mBarlovento 144.78 Kg/m

C) Cargas permanentes + Sobrecarga de Nieve + Viento.

La sumatoria de las cargas seria 2340 Kg de reacción. Sotavento 289.56 Kg/m Barlovento 144.78 Kg/m

Figura N°

5.4. Pilares Extremos.


720Kg +450Kg= 1170Kg en cada pilar de los extremos.


Sotavento 144.78 Kg/mBarlovento 72.39 Kg/m


GALPÓN.

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C) Cargas permanentes + Sobrecarga de Nieve + Viento.

La sumatoria de las cargas seria 1170Kg de reacción. Sotavento 144.78 Kg/m Barlovento 72.39 Kg/m

Figura N°

5.5. Costaneras Internas.


Figura N°


GALPÓN.

29


Sotavento. Costaneras Internas.

Barlovento. Costaneras Internas.

Figura N°

C) Cargas permanentes + Sobrecarga de Nieve + Viento.Sotavento.

Barlovento.


GALPÓN.

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GALPÓN.

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5.6. Costaneras Extremas.



Sotavento. Costaneras Extremas.

Barlovento. Costaneras Extremas.

Figura N°

Figura N°


GALPÓN.

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C) Cargas permanentes + Sobrecarga de Nieve + Viento.Sotavento.

Barlovento.


GALPÓN.

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6. Conclusiones.

Luego de realizar el análisis correspondiente se destaca la importancia de regirse por las normas de construcción, las que se anticipan a sucesos naturales que generan cargas en las estructuras, cargas muy elevadas en algunos casos, que de no ser consideradas podría causar el colapso de una estructura.

Este análisis es complejo de realizar al momento de combinar las cargas, se tiende a confundir las diversas cargas en las estructuras, las que nos pueden llevar a posibles errores de cálculo y mala interpretación de datos obtenidos.


GALPÓN.

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7. Bibliografía.Fueron utilizadas las siguientes normas de trabajo.

NCh431-1977– NIEVE NCh432-1971- VIENTO NCh1537-1986_CARGAS PERMANENTES


GALPÓN.

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8. Anexo.DATOS DE ENTRADA.

Peso de los elementos.

Pcubierta 15kg

m( )2

Pcercha 20kg

m( )2

Pcostanera 5kg

m( )2

peso producido por nieve Pn 25kg

m( )2

peso producido por viento

En pilares en techumbre

Pvp 60.33kg

m( )2

Pvt 67kg

m( )2

Distancia entre marcos. dm 6m

Distancia entre nodos cercha. dn 2m

Distancia entre costaneras. dc 0.64m

Ancho cerchas. L 12m

Altura cerchas. hc 2m

Angulo de inclinación. 18.43deg

1. CARGAS PERMANENTES..

Peso por unidad de área total.

Pacp Pcubierta Pcercha Pcostanera 40kg

m2

1.1. Cerchas Intermedias.

Carga por unidad lineal Pcicp Pacp dm 240kg

m

Carga en nodos intermedios Fnicp Pcicp dn 480kg

Carga en nodos de los extremos Fniecp Pcicpdn

2 240kg

1.2. Cerchas Extremas.

Carga por unidad lineal Pcecp Pacpdm

2 120

kg

m

Carga en nodos intermedios Fnecp Pcecp dn 240kg

Carga en nodos de los extremosFneecp Pcecp

dn

2 120kg


GALPÓN.

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1.3. Pilares Intermedios.

Presión en Pilares Intermedios.

Pacp 40kg

m2

Carga por unidad lineal. Ppicp Pacp L 480kg

m

Carga en Pilares intermedios. Fpicp PpicpL

2 2.88 10

3 kg

Carga en cada pilar. FpiecpFpicp

21.44 10

3 kg


Presiones Pilares Extremos.

PacpePcubierta Pcercha Pcostanera

220

kg

m2

Carga por unidad lineal. Ppecp Pacpe L 240kg

m

Carga en Pilares extremos. Fpecp PpecpL

2 1.44 10

3 kg

Carga en cada pilar. FpeecpFpecp

2720kg

1.5. Costaneras Intermedias.

Presión en Costaneras Intermedias.

Pacicp Pcubierta Pcostanera 20kg

m2

Carga por unidad lineal. Pccicp Pacicp dc 12.8kg

m

Componente perpendicular. Pccicpp Pccicp cos ( ) 12.143kg

m

Componente tangencial. Pccicpt Pccicp sin ( ) 4.047kg

m


GALPÓN.

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Presión en Costaneras Extremas.

Pacecp Pcubierta Pcostanera 20kg

m2

Carga por unidad lineal. Pccecp Pacecpdc

2 6.4

kg

m

Pccecpp Pccecp cos ( ) 6.072kg

mComponente perpendicular.

Pccecpt Pccecp sin ( ) 2.023kg

mComponente tangencial.

2. SOBRE CARGAS PRODUCIDAS POR NIEVE.


Pan Pn 25kg

m2

2.1. Cerchas Intermedias.

Carga por unidad lineal Pcin Pan dm 150kg

m

Carga en nodos intermedios Fnin Pcin dn 300kg

Carga en nodos de los extremos Fnien Pcindn

2 150kg

2.2. Cerchas Extremas.

Carga por unidad lineal Pcen Pandm

2 75

kg

m

Carga en nodos intermedios Fnen Pcen dn 150kg

Carga en nodos de los extremos Fneen Pcendn

2 75kg


GALPÓN.

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2.3. Pilares Intermedios.


Pan 25kg

m2

Carga por unidad lineal. Ppin Pan L 300kg

m

Carga en Pilares intermedios. Fpin PpinL

2 1.8 10

3 kg

Carga en cada pilar. FpienFpin

2900kg



PanePan

212.5

kg

m2

Carga por unidad lineal. Ppen Pane L 150kg

m

Carga en Pilares extremos. Fpen PpenL

2 900kg

Carga en cada pilar. FpeenFpen

2450kg

2.5. Costaneras Intermedias.


Pacin Pan 25kg

m2

Carga por unidad lineal. Pccin Pacin dc 16kg

m

Componente perpendicular. Pccinp Pccin cos ( ) 15.179kg

m

Componente tangencial. Pccint Pccinp sin ( ) 4.799kg

m


GALPÓN.

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Pacen Pan 25kg

m2

Carga por unidad lineal. Pccen Pacendc

2 8

kg

m

Pccenp Pccen cos ( ) 7.59kg

mComponente perpendicular.

Pccent Pccen sin ( ) 2.529kg

mComponente tangencial.

3. SOBRE CARGAS PRODUCIDAS POR EL VIENTO.


en pilares en techumbre

Pvp 60.33kg

m2

Pvt 67kg

m2

Según norma se consideran distintas cargas de acuerdo a la altura.

3.1. SOTAVENTO.

3.1.1. Cerchas Intermedias.

cargaci 1.2 sin ( ) 0.4( ) Pvt 1.382kg

m2

Carga por unidad lineal Pcisv cargaci dm 8.291kg

m

Carga en nodos intermedios Fnisv Pcisv dn 16.583 kg

Carga en nodos de los extremos Fniesv Pcisvdn

2 8.291 kg


GALPÓN.

40

3.1.2. Cerchas Extremas.

cargace 1.2 sin ( ) 0.4( ) Pvt 1.382kg

m2

Carga por unidad lineal Pcesv cargacedm

2 4.146

kg

m

Carga en nodos intermedios Fnesv Pcesv dn 8.291 kg

Carga en nodos de los extremos Fneesv Pcesvdn

2 4.146 kg

3.1.3. Pilares Intermedios.


cargapi 0.8( ) Pvp 48.264kg

m2

Carga en cada pilar. Ppisv cargapi dm 289.584kg

m

3.1.4. Pilares Extremos.


cargape 0.4( ) Pvp 24.132kg

m2

Carga en cada pilar. Ppesv cargape dm 144.792kg

m


GALPÓN.

41

3.1.5. Costaneras Intermedias.


cargaci cargaci 1.382kg

m2

Carga por unidad lineal. Pccisv cargaci dc 0.884kg

m

Componente perpendicular. Pccisvp Pccisv cos ( )2 0.796

kg

m

Componente tangencial. Pccisvt Pccisvp cos ( ) sin ( ) 0.239kg

m

3.1.6. Costaneras Extremas.


cargace cargace 1.382kg

m2

Carga por unidad lineal. Pccesv cargace dc 0.884kg

m

Componente perpendicular. Pccesvp Pccesv cos ( )2 0.796

kg

m

Componente tangencial. Pccesvt Pccesvp cos ( ) sin ( )( ) 0.239kg

m


GALPÓN.

42

3.2. BARLOVENTO.

3.2.1. Cerchas Intermedias.

cargacib 0.4( ) Pvt 26.8kg

m2

Carga por unidad lineal Pcisvb cargacib dm 160.8kg

m

Carga en nodos intermedios Fnisvb Pcisvb dn 321.6 kg

Carga en nodos de los extremos Fniesvb Pcisvbdn

2 160.8 kg

3.2.2. Cerchas Extremas.

cargaceb 0.4( ) Pvt 26.8kg

m2

Carga por unidad lineal Pcesvb cargacebdm

2 80.4

kg

m

Carga en nodos intermedios Fnesvb Pcesvb dn 160.8 kg

Carga en nodos de los extremos Fneesvb Pcesvbdn

2 80.4 kg

3.2.3. Pilares Intermedios.


cargapib 0.4( ) Pvp 24.132kg

m2

Carga en cada pilar. Ppisvb cargapib dm 144.792kg

m


GALPÓN.

43

3.2.4. Pilares Extremos.


cargapeb 0.4( ) Pvp 24.132kg

m2

Carga en pilar. Ppesvb cargapebdm

2 72.396

kg

m

3.2.5. Costaneras Intermedias.


cargacib 26.8kg

m2

Carga por unidad lineal. Pccib cargacib dc 17.152kg

m

Componente perpendicular. Pccibp Pccib cos ( )2 15.438

kg

m

Componente tangencial. Pccibt Pccibp cos ( ) sin ( ) 4.63kg

m

3.2.6. Costaneras Extremas.


cargacib 26.8kg

m2

Carga por unidad lineal. Pcceb cargacibdc

2 8.576

kg

m

Componente perpendicular. Pccebp Pcceb cos ( )2 7.719

kg

m

Componente tangencial. Pccebt Pccebp cos ( ) sin ( )( ) 2.315kg

m

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