Aceros 1 informe!

2013

ESTRUCTURA TIPO
GALPON
Método de tensiones admisibles

Patricio Cifuentes
Luis Fuentes
Ignacio Marislao

INDICE
 1 DESCRIPCION DEL PROYECTO ......................................................................... 2
 2 METODO DE DISEÑO .......................................................................................... 2
 3 NORMAS Y CODIGOS A UTILIZAR. ................................................................... 3
 4 MATERIALES EMPLEADOS, CALIDADES Y PROPIEDADES MECANICAS. .... 4
 5 CARGAS Y SOBRECARGAS DE USO. ............................................................... 6
 6 COMBINACIONES DE CARGA. ........................................................................... 7
 7 FLECHAS ADMISIBLES. ...................................................................................... 8
 8 HIPOTESIS DE ANALISIS Y DISEÑO. ................................................................. 8
 10 SOLICITACIONES DE LA ESTRUCTURA. ....................................................... 9
 10 MOMENTOS, CORTANTES Y AXIALES PARA COMBINACIONES DE
CARGA. ................................................................................................................. 12
 C1: ......................................................................................................................... 12
 C2: ......................................................................................................................... 14
 C3: ......................................................................................................................... 15
 11 MEMORIA DE CÁLCULO. ................................................................................ 18
 FLEXION COMPUESTA.TEORIA ELASTICA DE COMPRESION COMPUESTA. 19
 FLEXION COMPUESTA.TEORIA ELASTICA DE COMPRESION COMPUESTA. 23
 DISEÑO UNION APERNADA. ............................................................................... 29
 DISEÑO DE SOLDADURAS. ................................................................................. 30
 ARRIOSTRAMIENTOS. ......................................................................................... 31
 DISEÑO DE COSTANERAS. ................................................................................. 32

1

 1 DESCRIPCION DEL PROYECTO

La presente Memoria de Cálculo se refiere al análisis y diseño
estructural correspondiente al diseño de una estructura tipo galpón, el
que se emplazará en calle Chacabuco esquina Yerbas Buenas, Los
Andes, Región de Valparaíso.

En términos generales, la estructura es un sistema de pórticos
dividido en 7 marcos metálicos los cuales presentan simetría, dentro de
lo cual están separados por una distancia de 6 metros respectivamente.

Por las aptitudes geotécnicas, las fundaciones consisten en un
sistema tradicional de cimentación continua, vigas de fundación y
zapatas unidas a través de cadenas de amarre, formando una parrilla de
fundación cimentada.

2 METODO DE DISEÑO
El edificio será estructurado en base a una combinación de pórticos
metalicos con una techumbre de perfiles de acero por lo cual
consideraremos los siguientes métodos:

-Estructuras de Acero: Método de las tensiones admisibles

- Estructuras de Hormigón Armado: Método a la Rotura

2

3

NORMAS Y CODIGOS A UTILIZAR.

Hormigones
- Nch 170 Of 85: “HORMIGON – REQUISITOS GENERALES”.
- Nch 430 Of 2008: “HORMIGON ARMADO – REQUISITOS DE DISEÑO
YCALCULO”.
- Código ACI 318-S08 “REQUISITOS DE REGLAMENTO PARA
CONCRETOESTRUCTURAL Y COMENTARIO”.
Acero de Refuerzo
- Nch 211 Of 70: “BARRAS CON RESALTES EN OBRAS DE
HORMIGONARMADO”.
- Nch 434 Of 70: “BARRAS DE ACERO DE ALTA RESISTENCIA EN
OBRAS DEHORMIGON ARMADO”.
- CAP: “BARRAS DE ACERO PARA HORMIGON”.
Acero Estructural
- Codigo ANSI/AWS: “STRUCTURAL WELDING CODE-STEEL”
- Nch 1159 Of 77: “ACERO ESTRUCTURAL DE ALTA RESISTENCIA Y
BAJAALEACION PARA CONSTRUCCION”
- ICHA: “MANUAL DE DISEÑO PARA ESTRUCTURAS DE ACERO”, 2001.
- ICHA: “ATLAS DE DETALLES ESTRUCTURALES”, 1976

Cargas, sobrecargas y Normas de diseño
- Nch 1537 Of 2009: “DISEÑO ESTRUCTURAL DE EDIFICIOS –
CARGASPERMANENTES Y SOBRECARGAS DE USO”
- Nch 432 Of 71: “CALCULO DE LA ACCION DEL VIENTO SOBRE LAS
CONSTRUCCIONES”
- Nch 433 Of 96 Modif 2009: “DISEÑO SISMICO DE EDIFICIOS”
- Diario Oficial de la República de Chile, 25 de Febrero de 2011:
“MODIFICACIONES DE EMERGENCIA A NCh 433 Of 96 y NCh 430 Of
2008”
3

- NCh 3171 Of 2010: “DISEÑO ESTRUCTURAL – DISPOSICIONES
GENERALES YCOMBINACIONES DE CARGA”

4 MATERIALES EMPLEADOS, CALIDADES Y PROPIEDADES
MECANICAS.
ACERO ESTRUCTURAL:
- Perfiles: calidad A42-27ES
- Tensores y fierro redondo: A37‐24ES
- Pernos de anclaje: Calidad ASTM A307
- Planchas e insertos:

para e <= 6 mm A37-24ES

para e = > 6 mm ASTM A36 (equiv. A42-27ES)
- Pernos para uniones: Calidad ASTM - A325X

Acero Estructural
Peso específico (γ)
7.85
Módulo de Elasticidad ( E )
2100000
Módulo de Poisson ( v )
0.3
Coef. De Dilatación térmica ( α )
0.000012/ Co
Módulo de corte (G)
807692
Tensión de Fluencia ( Tf )
2700
Tensión Ultima ( Tu )
4200


t/m3
kg/cm2

kg/cm2.
kg/cm2.
kg/cm2.

HORMIGON

- Hormigón para muros: calidad H30, 90% nivel de confianza
- Hormigón para emplantillados: calidad H5, 80% nivel de confianza
- Hormigón para resto de elementos de H.A. calidad H30, 95% nivel de
confianza
-Recubrimientos mínimos:
- 5 cm en fundaciones
4

- 3 cm en cadenas de amarre de fundaciones
- 2 cm en losas, vigas, pilares y muros.
Hormigón
Calidad
Resistencia a la Compresión ( f´c )
Módulo de Elasticidad ( E )

H-30
250

kg/cm2

Estático
Sísmico
Corte Máximo Admisible (τ máx)
Coef. De Poisson ( v )
Módulo de Corte
Coef. De Expansión Térmica (α)

238752
329000
6,4
0,2
no se utiliza en el método a la
rotura
1.43E-5

kg/cm2
kg/cm2
kg/cm3

1/°C

- ACERO DE REFUERZO.
Calidad A44-28H en muros. Para el resto de elementosestructurales de
Hormigón Armado, se empleará acero calidad A63-42H.
- SOLDADURAS.
- SOLDADURAS HECHAS EN TALLER: Se harán usando proceso
MIG,electrodo E70-S6
- SOLDADURAS HECHAS EN TERRENO: Se harán usando proceso arco
manual,electrodo E70XX.
Acero de Refuerzo
Peso específico ( γ )
Módulo de elasticidad ( E )
Módulo de Poisson ( ν )

7.85
2100000
0,3

t/m3
kg/cm2

Coeficiente de dilatación térmica ( α )

1,1 x 10-5

1/ Co

807692

kg/cm2

Módulo de corte: G

5

5 CARGAS Y SOBRECARGAS DE USO.
-CARGAS MUERTA (D): Peso propio de los perfiles, estructuras y de todo
aquel elemento estructural o no estructural que se encuentre sobre el
elemento en cuestión. Corresponde esencialmente a la carga
permanente. Se determinan a partir de NCh 1537 Of 2009.
Para simplificaciones de cálculo utilizaremos para este caso:

-CARGAS VIVAS: 30 kg/m2 para la estructura de la techumbre
afectado por losrespectivos coeficientes de reducción por pendiente de
techo y área tributaria. Complementan con las especificaciones de NCh
1537 Of 2009.

-CARGAS SISMICAS: La determinación de las solicitaciones
sísmicas se regirá segúnlo establecido en la norma chilena NCh 433 Of 96
Mod 2009, más la modificación de emergencia aparecida en el Diario
Oficial de República de Chile, del 25 de Febrero de 2011. El método de
análisis será el Modal Espectral.

-CARGAS DE VIENTO: La determinación de las cargas de viento
se regirá según loestablecido en la norma chilena NCh 432 Of 71.

-CARGAS DE NIEVE: los valores que utilizaremos para este caso
son los que corresponden según NCh 431of77.Considerando que el
edificio se emplazara en Los Andes, utilizaremos una sobrecarga de nieve
de 25 kg/m2. Considerando la eventualidad de esta carga y el hecho de
6

que la sobrecarga de techumbre es mayor que la sobrecarga de nieve, y
siendo ambas del tipo gravitacional utilizaremos solo la mayor de ambas
en las combinaciones que así lo permitan. Predomina la sobrecarga de
techo.

6 COMBINACIONES DE CARGA.
Las combinaciones de cargas serán las establecidas en NCh
3171 Of 2010 más lascomplementaciones correspondientes según acción
de cálculo, tanto para estado límite deservicio como estado límite último, y
dependiendo de la metodología de diseño.

Se utilizaran las combinaciones de carga de acuerdo a la
NCh3171of2010 teniendo finalmente:

Por Tensiones Admisibles
C1= D + L
C2=D + 0.75*L + 0.75*V
C3=D + 0.7*S
Con:
D

= carga permanente

S

= carga sísmica según NCh 433

L

= carga de uso según NCh1537

V

= carga de viento según NCh 432

7

7 FLECHAS ADMISIBLES.
Las flechas que se consideran son:
-Costaneras de techo de acero: L/200
-Vigas y columnas: L/200

8 HIPOTESIS DE ANALISIS Y DISEÑO.
- Se considera valida la Ley de Hooke, asumiendo que existe
proporcionalidad entre tensiones y deformaciones.
- Se supondrá válida la Hipótesis de Bernoulli (las secciones planas se
mantienen planas después de deformarse)
- Se supondrá que el acero tiene un comportamiento elasto-plástico
perfecto
- Se asumirá que existe perfecta adherencia entre hormigón y acero
- Se supondrá que el módulo de elasticidad se mantiene constante para
los materiales a emplear
- Las soldaduras se consideran elementos homogéneos, isotrópicos y
elásticos.
- Las partes conectadas por las soldaduras son rígidas y por lo tanto se
desprecian sus deformaciones.
- Sólo se consideran esfuerzos debido a las cargas externas, se desprecia
esfuerzos residuales.

8



9

ASPECTOS ESPECIALES DE MODELADO Y

ANALIZIS.

La estructura será analiza como un marco metálico considerando una
sola sección para todo el marco y así mantener la Inercia a través de todo el
sistema, se diseñara a la solicitación más desfavorable y en la base de los
pilares se consideraran empotrados a la base de la zapata. Las costaneras
serán analizadas a la solicitación del viento al igual que las riostras.

Finalmente analizaremos pernos y soldaduras en las uniones.

Para el análisis y diseño se empleara, RAM 9.0, más algoritmos propios.

10

SOLICITACIONES DE LA ESTRUCTURA.

Carga muerta:

9

Carga viva:

Viento:

SEGÚN norma NCH 432 of 71

10

Sismo

De acuerdo a NCH 433 tenemos Q = CIP por lo que:
LOS ANDES
Zona
S
To
T´
n
p
I
Ao
R
Qo

1
1
0,3
0,35
1,33
1,5
0,6
0,3g
4
0,3979

11

10 MOMENTOS, CORTANTES Y AXIALES PARA
COMBINACIONES DE CARGA.
C1:
-.Diagrama de momento

12

-.Axial.

-. Esfuerzo de corte.

13

C2:
-.Diagrama de momento.

-.Axial.

14

-. Esfuerzo de corte

C3:
-.Diagrama de momento.

15

-.Axial.

-. Esfuerzo de corte

16

De acuerdo a los diagramas mostrados, se diseñara con la
combinación más desfavorable que es C1=D+L

17

11 MEMORIA DE CÁLCULO.

Se presentan cálculos de la estructuras de acuerdo a los perfiles escogidos.
Primero comprobaremos el perfil y luego la deformación.
Perfil escogido para marco estructural:
PERFIL(mm):
A=500
B=300
e.=14
t=8

18

Propiedades del perfil I 50/30/1,4/0,8
Ixx
Iyy

56625
6304

rx
ry

22
7,20

y
Ac
At
A´c

25
42
42
48

rc
r´
λc
λ

4
1
205
1071

Ic´

934

area

122

Wy

229

Wx

2265

El perfil es no compacto para todo el marco, se verifica a continuación:
c'
25,19 25,19
 10,4 

 16,3
e
Ff
2,4

b
 59 
e

984,3
F f ( F f  1,16)

SI

 336,7

SI


 Ft  0,6  F f  0,6  2400  1440 Kg

cm 2 



FLEXION COMPUESTA.TEORIA ELASTICA DE
COMPRESION COMPUESTA.

si


fa
f
f
 0,15  a  bx  1
Fa
Fa
Fbx

Calculamos longitud efectiva para ambas columnas:

19

Calculamos Fa:

Para L: 900 cm.

(Se anexan tablas de Coeficiente K. Desplazamiento Lateral Permitido)

Por tablas:
GA  1

Gb 

I

c

I

v

Lc
Lv



L
L

v
c



2600
 2,888
900

20

De acuerdo a tabla desplazamiento lateral permitido tenemos que K=1,51
Y por lo tanto verificamos las esbelteces:
Tenemos:

x 

K  L 1,51  900

 61,77
rx
22

y 

K  L 1  900

 125
ry
7, 2

Por lo que controla la esbeltez mayor
Compresión elástica teórica
λx=
63,43569975
λy=
125,0793949
λmayor=
125,0793949

Por lo tanto:
Fa

1252,456207

Calculamos Fbx:
Volcamiento flexión de las alas.

1-

Fc=0,6 Ff
 2 F f  C  2 
 

 F
 3 C  328   f



2-

.

3-

Tenemos el caso n° 3
21

VOLCAMIENTO NO COMPACTA
Volcamiento ,flexión de las alas
204,69
>
185,02
Volcamiento torsión
1071,428571
<
1347,42

Fc=

2449,59729

kg/cm2

Fc=

1440

kg/cm2

Consideramos el caso más conservador:Fbx=1440 kg/cm2
Calculamos fa, para las 3 combinaciones:
C1
3148,91
122
25,8107377

P
A
fa

C2
1352,89
122
11,0892623

C3
860,42
122
7,05262295

Calculamos fbx, para las 3 combinaciones:
C1
M
S
fbx

C2

12702
2255
563,281596

C3
4925
3315
2255
2255
218,4035477 147,006652

Verificamos:

si

fa
f
f
 0,15  a  bx  1
Fa
Fa
Fbx

fa/Fa
0,02060965 0,00885141 0,00563034
fbx/Fbx
0,39116778 0,15166913 0,10205716
fa/Fa+fbx+Fbx 0,41177742 0,16052054 0,10768749

Verificamos la sección para la columna izquierda.

22

FLEXION COMPUESTA.TEORIA ELASTICA DE
COMPRESION COMPUESTA.

si


fa
f
f
 0,15  a  bx  1
Fa
Fa
Fbx

Calculamos longitud efectiva para ambas columnas:

Calculamos Fa:

Para L: 700 cm.

(Se anexan tablas de Coeficiente K. Desplazamiento Lateral Permitido)

23

Por tablas:
GA  1

Gb 

I

c

I

v

Lc
Lv



L
L

v
c



2600
 3,714
700

De acuerdo a tabla desplazamiento lateral permitido tenemos que K=1,52
Y por lo tanto verificamos las esbelteces:
Tenemos:

x 

K  L 1,51  700

 48,0455
rx
22

y 

K  L 1  700

 97,222
ry
7, 2

Por lo que controla la esbeltez mayor
Compresión elástica teórica
λx=
48,0455
λy=
97,222
λmayor=
97,222

Por lo tanto:
Fa

1266,234665

24

Calculamos Fbx:
Volcamiento flexión de las alas.

3-

Fc=0,6 Ff
 2 F f  C  2 
 

 F
 3 C  328   f



4-

.

3-

Tenemos el caso n° 2
VOLCAMIENTO NO COMPACTA
Volcamiento ,flexión de las alas
82,92
≤
159,20
≤
185,02
Volcamiento torsión
833,3333
<
1347,42

Fc=

1010,02

kg/cm2

Fc=

1440

kg/cm2

Consideramos el caso más conservador: Fbx=1010,02 kg/cm2
Calculamos fa, para las 3 combinaciones:

P
A
fa

C1
C2
3422,4
1705,01
122
122
28,052459
13,9754918

C3
1017,11
122
8,33696721

Calculamos fbx, para las 3 combinaciones:

M
S
fbx

C1
C2
11795,96
6740,21
2255
2255
5,23102439
2,989006652

C3
3728,77
2255
1,65355654
25

Verificamos:

si

fa
f
f
 0,15  a  bx  1
Fa
Fa
Fbx

fa/Fa
0,02215834 0,01103909 0,00658528
fbx/Fbx
0,51792321 0,29594125 0,16371847
fa/Fa+fbx+Fbx 0,54008155 0,30698035 0,17030375

Verificamos la sección para la columna derecha..

26

Verificamos la deformación para el perfil escogido.
Mostraremos solo las deformación en la viga de 26 metros y anexaremos gráficos de
deformación de las columnas al final de la memoria.

Estados considerados:
C1=CM+CV
C2=CM+0.75CV+0.75V
C3=CM+0.7S

MIEMBRO

:

2

Largo :

26.077 [m]

Material

:

A36

Sección

:

:

Nudo J

I 50/30/1,4/0,8

:

2

Nudo K

3

Estado : C1=CM+CV

Deflexión [cm], Long [m]

27

Estado : C2=CM+0.75CV+0.75V


Estado : C3=CM+0.7S


Comprobamos que la deformación es menor que la admisible en los 3 casos.
Y que la mayor deformación es en C1=5,41cm menor que la admisible.
28

DISEÑO UNION APERNADA.
Placa de 60*40
-Determinación Eje Neutro

Y=5,5
-Determinación Momento de Inercia

I

b Y 3
  A  d 2  17485 ,8
3

-Cálculo de esfuerzo a tracción

ft 







M
c1  c   60  (35  5.5)  0,1 T cm 2  Ft  1,44 T cm 2
I
17485 .8



Qp=P/ N° pernos=2220/6=370

fv 

=0,096 ton/cm2

Ft=1,68-1,6 fv  1,526 ton/cm2
ft  F t

Se verifica la conexión apernada de la sección con pernos de 12mm.

29

DISEÑO DE SOLDADURAS.

Unión soldada entre columna y viga, se calcula con una tensión admisible de 1ton/cm2,
respecto a lo visto en el curso.
L=212,8 cm
A=1 cm
t.=0,707*a=0,707 cm
A= 212,8 *1=212,8 cm^2
Inercia de la soldadura.

Ixx=

IYY =

=81550,6

=8649

Izz = IXX + IYY = 90200 cm4
Wxx=Ixx/25= 3262,02 cm^3
Tomamos el momento más desfavorable.
30

Fm=12,7/3262=0,00001 ton/cm^2
f.c=3,1/212,18=0,014
f.=0,014
fadm>F

ARRIOSTRAMIENTOS.

Riostras de 6mm
A=0,28cm^2
Debido largo y alto de la elevación ocuparemos 4 diagonales por cada módulo.

V  0,8  V  6  0,75  180 Kg 
 m


Cálculo tracción en arrostramientos

Td 
T

Vsotavento   6
1000

 1,098T 

Td
 0,068T 
16

Cálculo De Esfuerzo a tracción

ft 







T 0,068

 0,24 T 2  Ft  1,44 T 2
cm
cm
A 0,28


31

DISEÑO DE COSTANERAS.
NOTA: en las zonas donde existe mayor momento en la viga, se
reforzara con doble costanera, actúan como vigas puntales, ver
detalles en planos.

Costaneras de techumbre.

32

Propiedades del Perfil

Perfil C

100/50/15/3

P
A
Ixx
Wxx
ixx
Iyy
Wyy
iyy

4,95
6,31
97,8
19,56
3,94
20,52
6,52
1,8

kg/cm
cm2
cm4
cm3
cm
cm4
cm3
cm

Tendremos las siguientes consideraciones

Eje fuerte.

Eje debil.

33

C1: (CM+SC)

Px  ( PP  SC )  1  cos(4,3987)  (12  30)  1  cos(4,3987)  41,87kg 
 m


Py  ( PP  SC )  1  sen(4,3987)  (12  30)  1  sen(4,3987)  3,22kg 
 m



Mmáx = 188,45x-x

Mmáx =11,59 y-y
Ahora el Mmáxx-x/1440<Wxx costanera
Ahora el Mmáxy-y/1440<Wyy costanera
Se verifica la costanera

Verificamos la deformación:

5  p  L4
L
600

 0,95[cm] 

 3[cm] ok
384  E  I
200 200
C2: CM+0,75SB+0,75V

Px  (( PP  0,75  SC ) 1  cos(4,3987 ))  0,75V
PX  (12  0,75  30 ) 1  cos(4,3987 )  0,75 * 0,4 * 50 *1  19 ,39 kg 
 m


Py  ( PP  0,75  SC ) 1  SEN (4,3987 )  (12  0,75  30 ) 1  sen(4,3987 )  2,64 kg 
 m



34

Mmáx = 87,255x-x

Mmáx =9,504 y-y
Ahora el Mmáxx-x/1440<Wxx costanera
Ahora el Mmáxy-y/1440<Wyy costanera
Se verifica la costanera

35

Resultados del Análisis
Estados considerados:
C1=CM+CV
C2=CM+0.75CV+0.75V
C3=CM+0.7S
MIEMBRO

:

9.000 [m]
Material :

A36

1

Largo

Nudo J

:

1

Sección

:

I 50/30/1,4/0,8

:

Nudo K

:

2

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Estado : C1=CM+CV


40

Estado: C3=CM+0.7S

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------MIEMBRO

:

26.077 [m]
Material :

A36

2

Largo

Nudo J

:

2

Sección

:

I 50/30/1,4/0,8

:

Nudo K

:

Estado : C1=CM+CV

41

3


Estado: C3=CM+0.7S

42

MIEMBRO

:

3

7.000 [m]
Material :

A36

Largo

Nudo J

:

3

Sección

:

I 50/30/1,4/0,8

:

Nudo K

:

4

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Estado : C1=CM+CV
Traslación en 2


43

Estado : C3=CM+0.7S

44

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