Dimensionado de Estructuras de Edificación - Arriostramientos en naves industriales

Dimensionado de estructuras – Curso 2012/2013 Profesor: Maribel Castilla Heredia @maribelcastilla

Dimensionado de Estructuras. Naves industriales de acero con vigas de celosía.

Estabilización ante acciones horizontales.


Acciones horizontales, naves industriales y tipos de nudo Las acciones horizontales tienden a desplazar horizontalmente y a volcar las edificaciones.

En una nave industrial las acciones permanentes y en especial el peso propio (que puede considerarse como una acción estabilizadora) son de poca entidad en comparación con la acción debida al viento, que tiende a volcarla.

La manera óptima (que requiere menos material) para resistir tensiones en una barra es mediante esfuerzo axil. Por ello en una nave intentamos que ése sea el tipo de esfuerzo predominante.

Las uniones rígidas son capaces de transmitir momentos entre barras o entre barras y cimentación, pero llevan implícito el hecho de que las barras estarán sometidas a flexión y, por lo tanto, requerirán de secciones con un momento de inercia que permita resistir esas tensiones.

En una nave en la que se salva el vano con una viga de celosía consideraremos que las uniones entre los elementos de la celosía y los soportes son articuladas.


Acciones horizontales y naves industriales con viga de celosía

Partimos de la nave formada únicamente por:

• Pórticos tipo con soportes y celosías que apoyan sobre ellos.• Pórticos de testero con soportes en fachada y un perfil continuo que apoya sobre ellos.• Correas que reciben la carga de los paneles de cubierta y la depositan sobre los nudos de la celosía• Paneles de fachada que recogen la carga de viento y la depositan mediante correas (no representadas)

de manera isostática sobre los soportes.



Consideraremos dos direcciones de actuación de viento: perpendicular a los pórticos tipo (azul) y paralela a los pórticos tipo (roja).

• Cualquier dirección de viento que no coincida con éstas es suma vectorial de sus componentes paralela y perpendicular.

El viento presiona en la cara de barlovento y succiona en la de sotavento.



Dado que los paneles de fachada reparten de manera isostática la carga sobre los pilares, cada pilar deberá resistir una carga uniformemente distribuida en su longitud de valor:

Cada uno de los pilares a barlovento soportará la presión y los soportes a sotavento la succión.

d valor_de_presión_o_succión separación_entre_soportes dQ kN/ m L m q kN/ m 2



La acción del viento debe ser trasladada por completo a la cimentación. Este es el punto en el que el diseño del sistema de estabilización horizontal variará el comportamiento de la nave y el dimensionado de los elementos.

Consideraremos que la cubierta es un plano indeformable y que ha sido arriostrado previamente para ello.

Consideraremos las uniones celosía-soporte como articulaciones.



Comenzamos con la nave sin ningún tipo de arriostramiento.



Dado el esquema estructural empleado, no resulta difícil prever el resultado:



Por lo tanto hacer frente al viento se reduce a conseguir que no se deformen los paños de fachada.

Para ello disponemos de dos mecanismos:

• Evitar que giren los apoyos de los soportes, convirtiéndolos en uniones rígidas con la cimentación.

• Disponer barras en las fachadas que eviten que se deformen (triangularlas).

La combinación de estas dos soluciones entre sí nos da lugar a diferentes sistemas de estabilización horizontal de una nave.


Opción 1. Cimentación empotrada, fachadas sin triangular Si escogemos esta opción, nuestro esquema resistente quedaría como sigue:

La estructura se deforma ante la acción del viento:


Opción 1. Cimentación empotrada, fachadas sin triangular Esquema resistente:

• Los soportes son los encargados de transmitir la acción del viento a la cimentación.• Nada impide el desplazamiento de las cabezas de estos pilares, por lo tanto se comportan como

ménsulas que tienen condicionado su desplazamiento en cabeza a que todas deben desplazarse lo mismo (esquema de ménsulas acopladas).

• Una repercusión directa de este sistema es que los elementos que unen las cabezas de las ménsulas (celosía o correas, según la orientación) deben ser lo suficientemente rígidos como para resistir el axil de compresión que implica trasladar el movimiento del extremo de una ménsula contra el de la otra.

• Este es el tipo de diagrama de momentos que se produce:

• Los soportes deberán tener mucho canto• La cimentación deberá soportar el momento que recibe• El desplazamiento de la coronación debe ser controlado• La longitud de pandeo de los soportes será 2L• El edificio es claramente traslacional


Opción 2. Pórtico de arriostramiento en una de las direcciones.

Cuando sólo se dispone un pórtico de arriostramiento suele ser condicionado por el hecho de que los testeros de la nave no pueden disponer de triangulaciones.

Este pórtico se enfrenta al viento perpendicular al plano que contiene su alzado (en la figura, el pórtico de arriostramiento representado recoge el viento perpendicular a la fachada “corta”, es decir, al testero (dirección azul).

Partimos del esquema inicial en el que todas las uniones de los pilares con la cimentación son articuladas.

• La fachada intenta deformarse, pero no puede porque los tirantes que he dispuesto retienen los nudos en su posición.



Para saber cuánta carga debe soportar el arriostramiento y poder dimensionarlo, debemos pensar en cómo la carga llega desde cada uno de los testeros a ese punto.

• Cada pilar del testero soporta su área tributaria de carga (porque hemos impuesto que el reparto era isostático). El extremo superior del soporte no se puede desplazar porque hemos dispuesto un arriostramiento que impide dicho movimiento.

• Así que cada pilar se comporta como una viga biapoyada con carga uniformemente distribuida. El cortante en el extremo de la cimentación pasa directamente a ésta y el cortante en el extremo superior del soporte pasa como carga puntual a las correas de cubierta.

• Cuando las correas de cubierta intentan desplazarse, los tirantes que forman parte del pórtico de arriostramiento de la misma las retienen, funcionando como una viga de celosía tumbada. Los apoyos de esta viga son los paños triangulados de la fachada, donde aparecerían sus reacciones

Diagramas de cortantes y flectores de los soportes del testero como vigas biapoyadas



Las reacciones de la viga de celosía de la cubierta son, precisamente, la carga que cada uno de los arriostramientos de fachada debe resistir.

Una vez obtenida la carga, sólo tenemos que obtener el esfuerzo axil al que está sometida cada uno de los tirantes y dimensionarlo con un perfil de nuestra elección.

En cuanto al viento en sentido opuesto, como el comportamiento de la nave es simétrico lo único que debemos hacer es disponer los mismos perfiles con la inclinación opuesta.

Cargas que actúan sobre la viga de arriostramiento de cubierta debidas a la presión y a la succión



Una vez resistido el viento en la dirección perpendicular a los testeros, debemos resolverlo en la dirección perpendicular a los laterales de la nave.

No hemos dispuesto ningún elemento en las fachadas cortas que pueda hacer frente al viento.



Una vez resistido el viento en la dirección perpendicular a los testeros, debemos resolverlo en la dirección perpendicular a los laterales de la nave.

No hemos dispuesto ningún elemento en las fachadas cortas que pueda hacer frente al viento.

Por lo tanto, nuevamente, estamos ante la misma situación que en el caso inicial: los soportes deben ser los encargados de resistir el viento en esa dirección. Los soportes deben estar empotrados en la cimentación y el esquema resistente será el de ménsulas acopladas.

Momentos flectores


Opción 2a. Pórtico de arriostramiento en una de las direcciones. Soportes empotrados.

Con el mismo esquema resistente podríamos tener una alternativa cambiando la forma en que los soportes del testero se unen a la cimentación.

Si en vez de articulados están empotrados, cambiará el diagrama de cortantes y, consecuentemente, la carga que se pasa al pórtico de cubierta:

Diagramas de cortantes y momentos flectores de los soportes del testero como vigas biapoyadas

Diagramas de cortantes y momentos flectores de los soportes del testero como vigas apoyadas - empotradas


Opción 2a. Pórtico de arriostramiento en una de las direcciones. Soportes empotrados.

Con el mismo esquema resistente podríamos tener una alternativa cambiando la forma en que los soportes del testero se unen a la cimentación.

Si en vez de articulados están empotrados, cambiará el diagrama de cortantes y, consecuentemente, la carga que se pasa al pórtico de cubierta:

Diagramas de cortantes y momentos flectores de los soportes del testero como vigas apoyadas - empotradas

Recuerda que si la sección escogida para dimensionar el pilar es de Clase 1 se admite cálculo plástico a nivel de barra.

d dd,max,elástico d,max,plástico

q L q LM M

,

2 2

8 11 67

maxM


Opción 3. Pórtico de arriostramiento en las dos direcciones. Cada uno de los pórticos se enfrentará al viento perpendicular al plano que contiene su alzado.

En la figura, cada pórtico recoge la dirección de viento que corresponde al color de sus diagonales traccionadas.

• En la figura, el pórtico de arriostramiento con las diagonales azules recoge el viento perpendicular a la fachada “corta”, es decir, al testero (dirección azul) y el pórtico con diagonales rojas la dirección perpendicular.

• En la dirección del viento perpendicular al testero nada ha cambiado respecto al ejemplo anterior.


Opción 3. Pórtico de arriostramiento en las dos direcciones.

• En cuanto a la dirección del viento perpendicular a la fachada lateral, al disponer las triangulaciones en los testeros la viga de arriostramiento de cubierta es capaz de trasladar la carga que los soportes de fachada van depositándole –al igual que vimos que hacían en la fachada corta en el caso anterior).

• Cuando las reacciones de la viga de cubierta llegan a sus apoyos (los paños arriostrados en los testeros) los tirantes evitan que se deforme la fachada y trasladan la carga a la cimentación.



• Ahora los soportes de los pórticos tipo no son los únicos responsables de trasladar las cargas a cimentación, ya que sus extremos superiores estarán “apoyados” en la viga de arriostramiento.

• Dependiendo de si están empotrados o articulados en cimentación variará tanto su distribución de momentos flectores como la carga que depositan en la viga de cubierta (de la misma manera que sucedía con los pilares del testero).

Diagramas de cortantes y momentos flectores de los soportes de pórtico tipo como vigas biapoyadas.





Diagramas de cortantes y momentos flectores de los soportes de pórtico tipo como vigas empotradas-apoyadas.

Opción 3a





Diagramas de cortantes y momentos flectores de los soportes de pórtico tipo como vigas empotradas-apoyadas.

Recuerda que si la sección escogida para dimensionar el pilar es de Clase 1 se admite cálculo plástico a nivel de barra.



• Una vez hemos obtenido los valores de la carga que los soportes depositan sobre la viga de arriostramiento el procedimiento es análogo al que seguimos cuando dimensionábamos los arriostramientos de la dirección perpendicular:


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Estabilización ante acciones horizontales.

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