ETAPA v Proyecto Estructural

UNIVERSIDAD DE CUENCA

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL

PROYECTO: DISEO ESTRUCTURAL DE UNA NAVE INDUSTRIAL

ETAPA V: DISEO DEFINITIVO DE LOS ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN LA

NAVE INDUSTRIAL Y PRESENTACIN DE LOS CORRESPONDIENTES

PLANOS EJECUTIVOS

AUTORES:

DIEGO BRAVO (100%)

DANIEL CARRIN (100%)

CHRISTIAN ORELLANA (100%)

PROFESOR: ING. NELSON NAVARRO (PHD)

DCIMO SEMESTRE

JULIO - 2015

Diseo Estructural de una Nave Industrial

2

ETAPA IV: Diseo de los elementos que constituyen la nave industrial (losa del entrepiso,

columnas de hormign, vigas rectangulares y viga carrilera, cercha metlica, elementos de

fachada,) con el objeto de determinar el acero de refuerzo requerido y garantizar la estabilidad

de toda la estructura.

En esta nueva etapa se proceder al diseo de los elementos previamente mencionados,

basndonos en los requerimientos del ACI (para el caso de estructuras de concreto armado) y del

Manual LRFD (para el caso de estructuras de acero).

Para ello, usaremos las cargas actuantes especificadas en la Etapa III junto a los diagramas de

momento y cortante de cada elemento, obtenidos en la Etapa IV.

1. Losa de Alivianamiento para el entrepiso

De la Etapa III, se tienen las cargas que se presentan a continuacin:

Carga Muerta 607 kg/m

Carga Viva 240 kg/m

Combinacin 1113 Kg/m

Tabla 1.1

De la Etapa IV, se tiene que el valor mximo, obtenido para el diagrama de momento es 2663,73

kg*m

Se procede a disear como losas bidireccionales (6m*6 m)

Figura 1.1


3

Para el efecto, existen tablas que facilitan el diseo de losas (Anexo 1), mediante el Mtodo de los

Coeficientes del ACI.

Se tomaron en cuenta los tres tipos genricos de condiciones de borde, presentes en dichas

tablas.

Figura 1.2

Considerando los tipos de borde de la figura anterior, para nuestro diseo, se tiene el Caso 7 de las

tablas (Anexo 1), el cual se expone a continuacin:

Figura 1.3

Datos principales:

VARIABLE VALOR UNIDADES FORMULA USADA

f'c 240 Kg/cm2 DATOS BASICOS

Fy 4200 Kg/cm2

0,9 flexin

h 10,0 cm ALTURA DE LA LOSA

H 30,0 cm ALTURA TOTAL


4

rec 2,0 cm RECUBRIMENTO

b 10,0 cm ANCHO DEL NERVIO

d 28,0 cm PERALTE EFECTIVO = H - REC.

H-h 20,0 cm

Tabla 1.2

Figura 1.4

El Cdigo Ecuatoriano de la Construccin y el ACI definen deflexiones mximas calculadas para

losas macizas y nervadas que varan desde Ln/180 hasta Ln/480, dependiendo del uso de la losa.

Mediante la ecuacin bsica se establece la altura mnima genrica de la losa (Tabla 1.3)

=(800 + 0.00712)

36000 + 5000( 0,2)

h: peralte o espesor de la losa maciza

:


5

Control de deflexiones y clculo de la altura mnima:

Tabla 1.3

El clculo del acero a flexin:

La disposicin del acero es como se detalla en el Anexo 2.

Tabla 1.4


6

Verificacin del cortante:

Tabla 1.5

Clculo del acero por retraccin del fraguado:

VALOR UNIDADES FORMULA USADA

sugerido 0,0018 CUANTIA SUGERIDA POR RETRACCION DE FRAGUADO

As 0,900 cm2 As = * 100 cm * h/2

e max 45 cm SEPARACION MAXIMA

Tabla 1.6

Las varillas comerciales a usar al igual que la malla electrosoldada (acero por contraccin y

temperatura) constan en el Anexo 3 (Casa Comercial Adelca).

2. Vigas perimetrales para el entrepiso

Las vigas perimetrales junto a la losa alivianada son diseadas para que sean sometidas a un

mismo proceso de fundicin. En la grfica se puede observar que todas las vigas tienen la misma

luz (6m) y recibirn la misma cantidad de carga, por lo que se disear para una sola.

Se escoge el menor{ max = 5

max = 45 .

Requiere malla electrosoldada, la

cual consta en el plano

correspondiente


7

Figura 2.1

Para este caso, la carga distribuida debe ser estimada para el

valor de aporte a cada una de las vigas, lo que nos da:

Carga = 1113 kg/m2 * 3 m = 3339 Kg/m

Como la carga es triangular, se considera ponderar a la misma

para convertirla en carga distribuida y facilitar el clculo y el

anlisis; esto es:

q = 2/3 * 3339 = 2226 kg/m

Figura 2.2

El valor de 2/3 es una relacin de reas entre el tringulo y el rectngulo.

3339

Vigas perimetrales


8

Diseo de la viga del Eje A, entre 1-2:

Figura 2.3

Datos para determinar la cantidad de acero inferior:

Luz = 6m

Resistencia del hormign armado fc =240 kg/m2

Resistencia del acero fy = 4200 kg/m2

Con los datos anteriores determinamos la cantidad de acero inferior para la seccin:

2226 62

8= 1122444.

As mn 1,2

# varillas 3

(mm) 14

As (cm2) 9,24

Mn 1,15E+06

Determinamos el acero superior por cuanta mnima:

As mn 1,2

# varillas 3

(mm) 20

As (cm2) 4,71

Refuerzo transversal:

estribos (cm)= 1 cm

# Ramales = 2


9

As = 0,503

Ay= 1,005

S = 20cm

Con la cantidad de acero requerido, se observa a continuacin que la seccin es adecuada y no

requiere refuerzo adicional.

Figura 2.3

Las varillas comerciales a usar constan en el Anexo 3 (Casa Comercial Adelca).

3. Cubierta

En la figura se ilustra a la cercha metlica, elemento principal de cubierta. La misma est

constituida por planchas de eternit, correas G, canales U y perfiles dobles angulares (detallado en

las Etapas III y IV).

Figura 3.1


10

Los perfiles comerciales usados (Anexo 4) para cada elemento de la cubierta, con sus respectivas

fuerzas interiores se detallan a continuacin:

Elemento Long (m) Perfil Tipo Fuerza Interior (N) Estado

AB 2,00 U 437776,15 Tensin

AF 2,00 U 45027,26 Compresin

AG 3,01 2L 655323,22 Compresin

FG 2,01 U 448,06 Compresin

BG 2,25 2L 1,28 Tensin

BC 2,00 U 437776,15 Tensin

CG 3,01 2L 413165,31 Tensin

CH 2,50 2L 89962,94 Compresin

GH 2,01 U 716896,91 Compresin

CD 2,00 U 871039,23 Tensin

CI 3,40 2L 271124,85 Compresin

HI 2,01 U 717057,78 Compresin

DI 2,75 2L 4,51 Compresin

DE 2,00 U 871039,23 Tensin

EI 3,40 2L 123997,91 Tensin

IJ 2,01 U 951099,32 Compresin

EJ 3,00 2L 89940,78 Compresin

EK 2,00 U 950200,21 Tensin

EL 3,82 2L 12199,99 Compresin

JL 2,01 U 951106,77 Compresin

KL 3,25 2L 0,95 Compresin

KM 2,00 U 950200,21 Tensin

ML 3,82 2L 91285,60 Compresin

LS 2,01 U 909845,02 Compresin

MS 3,50 2L 143040,61 Tensin

MN 2,00 U 943628,14 Tensin

MT 3,82 2L 78705,52 Compresin

ST 2,01 U 909825,87 Compresin

NO 2,00 U 943628,15 Tensin

NT 3,25 2L 1,27 Compresin

OT 3,82 2L 21630,43 Compresin

TU 2,01 U 939456,23 Compresin

OU 3,00 2L 86058,71 Compresin

OP 2,00 U 856523,57 Tensin

OV 3,40 2L 129112,08 Tensin

UV 2,01 U 939388,99 Compresin

PV 2,75 2L 0,59 Compresin

PQ 2,00 U 856523,57 Tensin


11

QV 3,40 2L 271816,50 Compresin

VW 2,01 U 702067,18 Compresin

QW 2,50 2L 86059,98 Compresin

QR 2,00 U 425562,76 Tensin

QX 3,01 2L 409132,68 Tensin

WX 2,01 U 701987,63 Compresin

RX 2,25 2L 0,20 Compresin

RY 2,00 U 425562,76 Tensin

XY 3,01 2L 640695,15 Compresin

XZ 2,01 U 45,22 Compresin

YZ 2,00 U 43030,73 Compresin

Tabla 3.1

Para el caso de la carga muerta de la cubierta fueron necesarias 14 Correas Tipo G, 72

planchas de eternit, 7 caballetes, adems de los perfiles U y de los angulares dobles

especificados a continuacin.

Carga Muerta = 3186,26 kg/m

Viento (WI) = 66 kg/m

Viento (WD) = -131 kg/m

Carga Viva = 420 kg/m

Tabla 3.2

La presin de viento difiere en la parte izquierda (WI) y derecha (WD) de la cubierta, por

considerar al Barlovento y Sotavento respectivamente.

La carga viva fue especificada como 70 kg/m2 (mantenimiento) la misma que acta en 6m

de cubierta (corresponde al ancho colaborante).

Figura 3.2

Con ello, y aplicando la combinacin respectiva (Norma NEC), se tiene:


12

Combinacin = 1,2 D + 1,6L + W Parte Izquierda 4561,26 kg/m 44745,96 N/m

Parte Derecha 4364,02 kg/m 42811,07 N/m

Tabla 3.3

Los valores obtenidos en la Tabla 3.3 deben ser repartidos en cada uno de los nodos considerados

en la cubierta (tomando en cuenta un rea de influencia para cada nodo), con el fin de obtener los

valores puntuales que servirn para la determinacin de los diagramas respectivos y que sern

considerados en el esquema de anlisis (Figura 3.3).

Cargas puntuales:

Nodo Real Carga (N) Nodo Real Carga (N)

F 44969,69 S der 43025,13

G 89939,38 T 86050,25

H 89939,38 U 86050,25

I 89939,38 V 86050,25

J 89939,38 W 86050,25

L 89939,38 X 86050,25

S izq 44969,69 Z 43025,13

Tabla 3.4

Figura 3.3


13

Para el diseo a traccin de la armadura hemos hecho uso del Metodo LRFD considerando el

captulo C1 y C2 del AISI en donde el coeficiente b es igual a 0.90. La frmula a utilizar es la

siguiente:

Pn= Ag*Fy

Ag: seccin bruta

Fy= resistencia del acero.

Resistencia a la compresin:

Para el presente diseo, nos basamos en el mtodo LRFD del AISI capitulo C4.

El coeficiente c establecido es igual a 0.85. Utilizando la siguiente frmula:

Pn= Ae*Fn

En este caso Ae = Ag, debido a que totalmente todo va soldado

Y Fn se determina de la siguiente manera:

Para c 1.5 = (0.658

2) o Para c > 1.5 = [

0.877

2 ]

Donde, c =

En los cuadros mostrados a continuacin, se presenta el diseo para la barra JL (caso ms

desfavorable a compresin) y para la barra CD (caso ms desfavorable a traccin).

Diseo a compresin Barra JL F (kg) 95111 E Kg/cm^2 2,00E+06 L (m) 2,01 fy (kg/cm2) 4200 c 0,85 Perfil U rea de seccin (cm2) 13,52 Ala menor b (mm) 60 Ala mayor a (mm) 125 Espesor t (mm) 6 Inercia (cm4) 309,25 Radio de giro cm 4,78


14

Esbeltez 157,14 c 0,58 fcr 2185,28 Pn 7845,16779 Pu 98868,39 Correcto

T 12,23 b/t 8 no pandeo

Tabla 3.5

Diseo a traccin

Barra CD

F (kg) 87104

E (Kg/cm^2) 2,00E+06

L (m) 2

fy (kg/cm2) 4200

t 0,9

Perfil U

rea de la seccin (cm2) 13,52

Ala menor b (mm) 60

Ala mayor a (mm) 125

Espesor t (mm) 6

Inercia (cm4) 309,25

Radio de giro (cm) 4,78

Esbeltez 157,14

admisible 300,00

Tu perfil(kg) 89165

correcto

Tabla 3.6

De las tablas anteriores, se puede constatar que no existir pandeo en la estructura.


15

4. Diseo de las mnsulas Se construir mnsulas para soportar las vigas del entrepiso y las vigas del puente gra. Los parmetros de diseo se basan en la seccin 11.8 del ACI 318-08: Disposiciones especiales para mnsulas y cartelas.

Para el caso de las mnsulas que soportarn las vigas del entrepiso, se tiene de la Etapa IV:

R2 = 25157,233 N

M2 = R2*e = 12578,17 N.m

En donde se consider a la mnsula con las siguientes dimensiones (ancho 0.4m, alto 0.7m):

Figura 4.1


16

A continuacin se procede a determinar el acero de refuerzo y verificar que cumpla con las

normas del ACI:

Figura 4.2

Con lo que se tiene finalmente:

Figura 4.3


17

Para el caso de las mnsulas que soportarn la viga carrilera, se tiene de la Etapa IV:

R1 = 50784,45 N

M1 = R1*e = 27931,45 N.m

En donde se consider a la mnsula con las siguientes dimensiones (ancho 0.5m, alto 0.7m):

Figura 4.4


18

A continuacin se procede a determinar el acero de refuerzo y verificar que cumpla con las

normas del ACI:

Figura 4.5

Con lo que se tiene finalmente:

Figura 4.6

8

10 cm


19

5. Columnas

De la Etapa IV se tiene que las cargas que va a soportar cada columna de hormign son: Caso 1: Columnas que consideran las mnsulas del entrepiso y de la viga carrilera

R1 = 50784,45 N

M1 = 27931,45 N.m

R2 = 25157,233 N

M2 = 12578,17 N.m

RA = 533411,187 N

Para tal efecto, se escoge una seccin de 60x60cm, con aceros en las cuatro esquinas y en el

medio, con un total 8 varillas de dimetro de 1.4cm; y tambin estribos de 10mm de dimetro.

La carga ltima obtenida para esta columna es 28940 Kg

El diagrama de interaccin correspondiente para las condiciones anteriores es el siguiente:


20

Figura 5.1

Como se puede observar la carga ltima de la columna cae dentro del diagrama de interaccin por

lo tanto la seccin y el acero escogido es correcto.

Caso 2: Columnas que consideran nicamente la mnsula de la viga carrilera

R3 = 50784,45 N

M3 = 27931,45 N.m

RY = 522526,603 N

Para tal efecto, se escoge una seccin de 60x60cm, con aceros en las cuatro esquinas y en el

medio, con un total 8 varillas de dimetro de 1.4cm; y tambin estribos de 10mm de dimetro.

-1.E+05

0.E+00

1.E+05

2.E+05

3.E+05

4.E+05

5.E+05

6.E+05

0.E+00 1.E+06 2.E+06 3.E+06 4.E+06 5.E+06

Pn

(kg

)

Mn(Kg*cm)


21

La carga ltima obtenida para esta columna es 18706 Kg El diagrama de interaccin correspondiente para las condiciones anteriores es el siguiente:

Figura 5.2

Como se puede observar la carga ltima de esta columna est dentro del diagrama de interaccin

por lo tanto la seccin y el acero escogido es el correcto.

Caso 3: Columnas que soportarn la losa del entrepiso

Figura 5.3

-1.E+05

0.E+00

1.E+05

2.E+05

3.E+05

4.E+05

5.E+05

6.E+05

0.E+00 1.E+06 2.E+06 3.E+06 4.E+06 5.E+06

Pn

(kg

)

Mn(Kg*cm)


22

Para este caso, se escoge una seccin de 40x40cm, con aceros (varillas de dimetro de 1,4cm) en

las cuatro esquinas de la seccin, se colocarn en total 12, junto a estribos de 10mm de dimetro.

A stas columnas se transmiten el peso de las vigas perimetrales ms la losa alivianada (835kg

para cada una de las 4 columnas).

Ya en el diseo, la carga ltima obtenida fue de 24706 Kg

El diagrama de interaccin correspondiente para las condiciones anteriores es el siguiente:

Figura 5.4

La carga ultima de esta columna est dentro del diagrama de interaccin por lo tanto la seccin y

el acero asumidos estn correctos.

6. Viga carrilera

Consiste en una viga de concreto de seccin I, apoyada sobre las mnsulas ya diseadas y que

soportar el peso del puente gra de 8Tn, junto a una platina comercial ubicada entre la viga y el

puente gra.

En base a la informacin proporcionada por la empresa ABUS (proveedor de puentes gra - Anexo

5), se tienen las siguientes cargas (Etapa IV):

CALCULO DE LA CARGA VIVA

Carga mxima por rueda R 5942,92 kg

Distancia mxima entre ruedas d1 3,8 m

Mitad de la luz del puente gra d2 12 m

-1.E+05

0.E+00

1.E+05

2.E+05

3.E+05

4.E+05

5.E+05

6.E+05

0.E+00 1.E+06 2.E+06 3.E+06 4.E+06 5.E+06

Pn

(kg

)

Mn(Kg*cm)


23

CALCULO DE LA CARGA MUERTA

Peso de los elementos del riel Pr 20 kg/m

Peso propio de la viga carrilera (20%L) Pvc 99,0 kg/m

Carga muerta D 119,0 kg/m

Tabla 6.1

Con lo cual se propone las siguientes medidas para la seccin I:

VIGA CARRILERA (Seccin I - Hormign)

Luz 5,90 m

Largo del patn 0,50 m

Ancho del patn 0,15 m

Largo del alma 0,30 m

Ancho del alma 0,25 m

Peso Propio de la viga carrilera 540 kg/m

Carga viva 5942,92 kg

Carga muerta (platina de acero) 123,76 kg/m

Tabla 6.2

Y para la platina:

PLATINA (Sobre viga carrilera)

Longitud (comercial) 6,00 m

Ancho 0,50 m

Espesor 0,012 m

Peso 4,71 kg/m

Tabla 6.3

A continuacin se verifica que la seccin sea esbelta y compacta:

Tabla 6.4

Se verifica tambin la fluencia en el alma de la seccin y que la platina que ir en la placa superior

no genera inconvenientes en el diseo definitivo:


24

Tabla 6.5

En base a las tablas 6.4 y 6.5, en donde se garantiza que la seccin es adecuada para el momento

ltimo de diseo M1 = 27931,45 N.m (establecido anteriormente), se determina el acero de

refuerzo:

Parte Inferior:

Asmn 1,4

# varillas 3

1,4

As 9,22

Mn 1,15E+06

Tabla 6.6

Parte Superior:

Asmn 1,3

# varillas 3

1,2

As 4,71

Tabla 6.7

Refuerzo transversal:

estribos (cm)= 1 cm

# Ramales = 2


25

As = 0,503

Ay= 1,005

S = 20cm

La viga carrilera fue diseada para el caso ms crtico, que es el que se ilustra a continuacin (el

caso ya fue detallado en la Etapa IV):

Figura 6.1

7. Gradas

Se necesitan gradas para acceder a las oficinas, a continuacin su diseo.

Para el caso de las gradas, se consideran huellas de 30 cm y contrahuellas de 18 cm. El espesor de

la losa es de 10 cm, con una longitud de 5 m y un ancho de gradas de 1,4 m.


26

Figura 7.1

De la etapa III, se tiene:

CARGA MUERTA 728,72 kg/m

CARGA VIVA 700 kg/m

CARGA DE DISEO 1994,46 kg/m

Tabla 7.1

Cortante:

Figura 7.2


27

Momento:

Figura 7.3

Determinacin de la armadura longitudinal negativa (acero superior)

Fy = 4200 kg/cm2

fc = 240 Kg /cm2

= 0.9 (flexion)

b= 140 cm

d= 18 cm

As = 1 12 mm cada 15 cm total 9 varillas

Mn = 0.9 As fy (d

1.7 )

Mn = 0.9 10.18 4200 (18 10.18 4200

1.7 240 140)

= . /

= . > Mu = 619918,68 kg*cm

Cuanta mnima requerida

Segn el cdigo ACI-08 la cuanta mnima de flexin para losas es

= 14

= 0.0033


28

= = 0.0033 150 20

= 9.9 2

= . < = .

Verificacin por Cortante

Segn el modelo estructural la losa (Figura 7.2) debe soportar una carga cortante de:

= 6131,25

fc = 240 Kg/ cm2

b = 140 cm

d = 18 cm

= 0.85 (cortante)

Vn = 0.85 0.53

Vn = 0.85 0.53 240 140 18

Vn = 20937.3

= . > = 6131,25

Por lo tanto la seccin escogida es apropiada.

Armadura de retraccin y fraguado

Segn las normas del ACI-08 para retraccin y fraguado la cuanta mnima es:

= 0.0022

=

= 0.0022 100 18

= 4.4 2

El detalle de la malla electrosoldada a usar consta en el Anexo 3.


29

ANEXOS

Anexo 1: Tablas con coeficientes para el diseo de losas nervadas rectangulares sustentadas

perimetralmente, sometidas a cargas distribuidas uniformes (Marcelo Romo Proao Escuela

Politcnica del Ejrcito).


30


31

Anexo 2: Ejemplo de colocacin de acero para un caso particular

Anexo 3: Varillas comerciales y malla electrosoldada usado en la losa (Adelca)


32

Anexo 4: Perfiles comerciales para la cercha metlica (casa comercial DIPAC)


33


34

Anexo 5: Detalle de un puente gra (casa comercial ABUS)

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