Edificios industriales con estructura de acero Juan Felipe Beltrán Departamento Ingeniería Civil...

Edificios industriales con estructura de acero

Juan Felipe BeltránDepartamento Ingeniería Civil

Universidad de ChileSantiago, ChileMarzo de 2007

Revisión, elaboración del guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera

ContenidoEdificios industriales de acero

• Definición• Tipos de edificios industriales• Cargas• Diseño de edificios industriales• Criterios de serviciabilidad• Mantención

Edificios Industriales1. Definición

• Usos principales– Alojar procesos de producción– Almacenamiento de equipos e insumos

• Diseño– Estética del edificio– Distribución de plantas libres y pasillos– Límites de altura– Maquinarias equipos y métodos de almacenamiento– Remodelaciones y cambio de uso– Cargas/solicitaciones– Relaciones entre áreas de trabajo, flujos de producción y

consideraciones acústicas.

Clasificación2. Tipos de edificios industriales

• Edificios industriales más comunes– Pórtico simple– Pórtico doble sin pilar central– Pórtico doble con pilar central– Pórtico con viga reticular– Pórtico con armadura de techo y columnas reticulares para

puentes grúas.

Pórtico simple Pórtico doble sin pilar central

2. Tipos de edificios industriales Clasificación

Pórtico doble con pilar centralPórtico con viga reticular

Pórtico con armadura de techo y columnas reticulares para puentes grúas.

3. Cargas

• Tipos de carga a considerar en el diseño– Carga muerta– Carga viva– Carga de nieve– Carga de lluvia– Carga de viento– Carga de sismo– Carga de grúa

• Fatiga

• Impacto vertical

• Cargas horizontales

• Cargas longitudinales

• Momento flector por excentricidad

• Fuerzas relacionados con la detención

Tipos de cargas

4. Diseño de Edificios Industriales

• Etapas de diseño– Determinar distribución geométrica del edificio– Determinación de las cargas– Diseño preliminar de las columnas que reciben cargas de grúa

(si corresponde)– Diseño del techo: armadura y/o viga – Diseño de muros exteriores– Diseñar el pórtico (edificio) ante combinación de cargas– Diseño final: columnas, armaduras, vigas, arriostramientos,

detallamiento, chequeo serviciabilidad

Diseño


Diseño de techos• Consideraciones

– Resistencia– Peso– Luz (vano) a cubrir– Aislación– Acústica– Estética

• Estructuración de techos– Cubierta de acero – techos de membrana

• Plana

• Inclinada

– Armaduras

Techos

4. Diseño de Edificios Industriales Techos

Armadura de techo

Viga de acero

Cubierta plana

Viga armada (reticular)

Cubierta inclinada


Estructuración de techos• viga de acero plana – inclinada.

– Cubierta• Proveer arriostramiento

• Prevenir levantamiento del techo

• Servir como diafragma

• Armadura– Arriostramiento discreto

• Estabilidad: rigidez y resistencia

• Transmitir fuerzas de sismo y viento

Techos


• Propósito de muros exteriores– Proveer protección– Aislación térmica y acústica– Refracción de la luz– Resistencia al fuego

• Consideraciones en su elección– Costo– Resistencia– Apariencia estética– Resistencia al fuego– Velocidad de instalación/construcción– Mantenimiento– Durabilidad – Desmonte - expansión

Muros


Sistemas de muros• Paneles armados en terreno

– Panel exterior – aislación – panel interior• Materiales paneles: aluminio corrugado• Aislación: fibra de vidrio

• Paneles armados en fábrica– Panel metálico – aislación – panel interior

• Materiales paneles: aluminio• Aislación: espuma plástica

• Paneles prefabricados– Panel de concreto – aislación – panel de concreto

• Aislación: 2 a 6 pulgadas de poliuretano• Paneles de concreto: mínimo 2 pulgadas de espesor• Formas de los paneles: doble T, paneles perforados

– Paneles transmiten/no transmiten cargas– Resistencia al fuego

Muros


• Muros de albañilería– Transmiten fuerzas– No transmiten fuerzas (muro

cortina)– Resistencia al fuego

Columnas de Viento• Diseño económico de vigas-

panel– Columnas deben estar

arriostradas– Transmisión de cargas de viento

Viga-panel

Panel interiorPanel exterior

Aislación

Sección del muro

Muros


Estructuración Edificio Industrial• Pórtico rígido

– Provee rigidez lateral en el plano del pórtico– Rigidez longitudinal, perpendicular al pórtico, debe ser provista

• Pórtico arriostrado– Requiere arriostramiento en techo y muros

• Arriostramiento tipo X o Chevron (V invertida).

– Sistema de arriostramiento interfiere• Operaciones de planta

• Futuras expansiones

– Pueden resultar más económica que un pórtico rígido

Estructuración


(1)

(1)

(1)

(4)

(4)

(4)

(2)

(3)

(5)

1. Pórtico rígido

2. Arriostramiento horizontal en cubierta

3. Arriostramiento vertical

4. Columnas de fachada

5. Arriostramiento de columnas de fachada

Estructuración


Viga Puente-Grúa

Viga puente-grúa

Viga puente-grúa

Arriostramiento vertical

en X viga puente-grúa

Columna


Diseño Viga Puente-Grúa• Factores a considerar

– Carga de ruedas– Espaciamiento de las ruedas– Luz o vano de la viga

• Tipo de viga– Viga laminada– Viga o trabe armada

• Diseño– Guía de diseño AISC

• Método ASD y LRFD

• Método alternativo mixto– Diseño usando método ASD y – Chequear pandeo lateral del alma con método LRFD

Viga puente-grúa


• Método ASD– Calcular inercias ejes x-x e y-y

• Satisfacer criterio de deflexiones– L/600 a L/1000: deflexión vertical– L/400: deflexión lateral

– Posicionar la grúa en la posición mas desfavorable• Maximizar momento flector

– Calcular momentos flectores Mx y My

• Incluir efecto de impacto

• Considerar que la carga lateral es aplicada en el ala superior

– Seleccionar una sección en base a Mx

• Incluir efecto de My aumentando el tamaño de la sección

– Chequear sección

Viga puente-grúa


0.1//

by

ty

bx

xx

F

SM

F

SM

Viga puente-grúa

donde

St = módulo de sección de la parte superior de la sección con respecto al eje y-y– Chequear el pandeo lateral del alma

• Sección K1.5, especificaciones AISC.

• Método LRFD– Mismo procedimiento descrito para método ASD– Utilizar especificaciones AISC-LRFD


Diseño de Columnas• Tipos de columnas

Columnas

Columna con consola

Columna con cambio de sección abrupto

Columna compuesta

Columna compuesta


• Diseño– Diagrama de momento flector debido a carga de grúa

• Grado de empotramiento en su base• Rigidez relativa con otros elementos estructurales adyacentes

• Modelo Estructural: Diseño Preliminar– Obtención de diagrama de momento flector debido a carga de grúa– Modelo no considera desplazamiento lateral– Base de la columna con empotramiento perfecto– Estimar rigidez de las columnas para diseño posterior

Columnas

Efecto de armadura de techo


• Estimación rigidez columnas– Análisis del edificio industrial

• Análisis de estructura indeterminada

• Combinación de cargas

Columnas

5. Criterios de serviciabilidad

• En general los códigos de diseño no explicitan límites de serviciabilidad.

• Límites de serviciabilidad: basados en el propósito del proyecto y experiencia del diseñador

• Criterios de serviciabilidad: Techos– American Institute of Steel Construccion (AISC, 1989)

• Altura largueros trabajando a capacidad máxima ≤ L (luz)/20

• Deflexión largueros soportan estructura de techo (carga de nieve) ≤ L (luz)/150

– Steel Deck Institute (SDI, 2000). Carga viva• Deflexión cubierta a carga uniforme ≤ L (luz)/240)

– Steel Joist Institute (SJI, 2002). Carga viva• Deflexión viga que soporta techo de yeso ≤ L (luz)/360

Limitar deflexiones


• Deflexión viga que soporta techo de cualquier material, excepto de yeso ≤ L (luz)/240

– National Roofing Contractors Association (NRCA, 2001)• Deflexión cubierta a carga uniforme ≤ L (luz)/240

• Deflexión cubierta a carga puntual de 300 lb en L/2: ≤ L (luz)/240

• Deflexión estructura de techo ≤ L (luz)/240

– Factory Mutual (FM, 2000)• Deflexión cubierta a carga puntual de 300 lb en L/2: ≤ L (luz)/200

• Criterios de serviciabilidad: Paneles de Metal (Muros)– American Institute of Steel Construccion (Design Guide 7)

• Deflexión perpendicular a la superficie del muro ≤ altura/(60 a 100)

• Deflexión de vigas y columnas que forman el panel ≤ L (luz)/120

Limitar deflexiones


• Criterios de serviciabilidad: Paneles Prefabricados (Muros)– American Institute of Steel Construccion (Design Guide 7)

• Deflexión de la base del panel ≤ altura/100

• Criterios de serviciabilidad: Paneles de Albañilería (Muros)– American Institute of Steel Construccion (Design Guide 7).

Elementos que soportan la albañilería• Deflexión perpendicular a la superficie del muro no reforzado ≤ 1/16 in

• Deflexión perpendicular a la superficie del muro reforzado ≤ altura/100

• Deflexión de vigas y columnas que forman el panel ≤ L (luz)/120 ≤ 1.5 in

Limitar deflexiones

6. Mantención

• Acceso adecuado para procesos de mantenimiento– Conflicto con el uso del edificio

• Desmontar equipos o izarlos• Toma de radiografías• Aislación de zonas por seguridad

• Mantención cubierta-techo y muros– Acumulación de agua y nieve– Emisiones del proceso industrial– Deterioro de la cubierta– Eliminar humedad de muros

• Edificios con grúas– Alineamiento de los rieles– Deterioro de la grúa y rieles– Detección y reparación de fisuras por fatiga

• Consultar Apéndice K, especificaciones AISC

Mantención

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