analisisydisen ode nave industrial

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA Y ARQUITECTURA

Anlisis y Diseo Estructural de una Nave Industrial para una Planta de Reciclaje de Desechos Slidos, bajo

efectos de Sismo y Viento con el Criterio del Reglamento de Construcciones del D.F. y sus N.T.C. y el Manual de

Diseo de Obras Civiles de la Comisin Federal de Electricidad

1

I n s t i t u t o P o l i t c n i c o N a c i o n a l

La tcnica al servicio de la patria

Anlisis y Diseo Estructural de una Nave Industrial para una Planta de Reciclaje de Desechos Slidos, bajo efectos de Sismo y Viento con el Criterio del Reglamento de Construcciones del D.F. y sus N.T.C. y el Manual de Diseo de Obras Civiles de la Comisin Federal de Electricidad.

Tesis Profesional

Que para obtener el ttulo de:

Ingeniero Civil

Presenta:

Fabiola Gonzlez Flores

Asesor de Tesis:

Ing. Julio Garca Carbajal

Mxico D.F. Junio de 2009






2

ndice

Pg.

CAPITULO 1. INTRODUCCIN

1.1. Planteamiento del problema

4

1.2. Marco Terico

5

CAPITULO 2. ANALISIS ESTRUCTURAL

2.1. Descripcin de la Estructura

10

2.2. Tipos de Solicitaciones

11

2.2.1. Acciones Permanentes

12

2.2.2. Acciones Variables

9

2.3. Anlisis de Cargas

15

2.4. Anlisis por Sismo

19

2.5. Anlisis por Viento

32

2.6. Combinaciones de Carga

48

CAPITULO 3. MODELACIN DE LA ESTRUCTURA

449

CAPITULO 4. OBTENCIN DE ELEMENTOS MECANICOS Y DESPLAZAMIENTOS. 55

CAPITULO 5. DISEO Y REVISION DE LA ESTRUCTURA.

66

CONCLUSIONES

86

BIBLIOGRAFIA

87






3

Captulo 1

Introduccin

Este trabajo de tesis se desarroll tomando en cuenta la elaboracin del proyecto de una

Planta de Reciclaje de Desechos slidos que se ubicara en Av. Culturas Prehispnicas

esq. Calle 12, Col. Ampliacin Granjas San Antonio Del. Iztapalapa, Distrito Federal.

El trabajo consta de anlisis tericos, de la estructura bajo, los criterios del Reglamento de

Construcciones del Distrito Federal y sus Normas Tcnicas Complementarias 2004 y del

Manual de Diseo de Obras civiles, Diseo por viento de la Comisin Federal de

Electricidad y utilizando un software de anlisis y diseo Estructural (Staad Proo) para

generar un modelo matemtico de la estructura.

La particularidad del proyecto es el gran claro a cubrir (46.00 m), lo cual se pretende

lograr con una estructura a base de marcos rgidos de acero de seccin variable unidos

entre s, con vigas IR y canales estndar.

El anlisis y diseo de esta estructura aportara una metodologa que podr ser til para

profesionistas y estudiantes que requieran realizar proyectos semejantes, ya que no

existe bibliografa que contemple todo el proceso de anlisis y diseo de naves

industriales.






4

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Debido a la contaminacin desmedida que se genera en el Distrito Federal y la Zona

Conurbada, ya que no hemos logrado un desarrollo sustentable como pas, es necesario

ampliar el sector dedicado al reciclaje de desechos slidos, por lo que la construccin de

una planta de este tipo en el rea de Iztapalapa se justifica de manera inmediata, y nos

lleva al siguiente cuestionamiento:

Se puede realizar una metodologa para el diseo de Naves Industriales, tomando como

referencia este proyecto, que contribuya al anlisis y diseo de estructuras similares?

HIPOTESIS

Si, en base al anlisis y diseo de una nave industrial para una planta de reciclaje, se

puede tomar como referencia el proceso realizado para estructuras similares, que se

ubiquen en el distrito Federal y Zona Conurbada

OBJETIVOS

Los objetivos a alcanzar en el trabajo de tesis:

Anlisis de la Estructura por acciones gravitacionales y acciones accidentales.

(Fuerzas por viento y Fuerzas por sismo)

Obtencin de Elementos Mecnicos de los elementos estructurales principales y

secundarios con ayuda del Software del Staad Pro 2004.

Diseo de elementos principales (columnas, vigas) y secundarios (largueros y

vigas de unin)

Diseo de conexiones

Diseo de la Cimentacin.

Revisin de desplazamientos horizontales y verticales






5

JUSTIFICACIN

Debido a la falta de bibliografa que contenga el procedimiento general para el anlisis y

diseo de naves industriales, es necesario establecer un proceso que sirva de referencia

para profesionistas y estudiantes de Ingeniera Civil.

METODOLOGIA

La metodologa a utilizar ser la descriptiva: comprende la descripcin, registro, anlisis e

interpretacin de la naturaleza actual, y la composicin o procesos de los fenmenos. El

enfoque se hace sobre conclusiones dominantes o sobre como una persona, grupo o

cosa se conduce o funciona en el presente.

La investigacin descriptiva trabaja sobre realidades de hechos, y su caracterstica

fundamental es la de presentarnos una interpretacin correcta.

1.2 MARCO TEORICO

DESCRIPCION DEL PROYECTO

Qu es una Planta de Reciclaje de Residuos Slidos? El reciclaje consiste en

someter de nuevo una materia o un producto ya utilizado a un ciclo de tratamiento

total o parcial para obtener una materia prima o un nuevo producto, til a la

comunidad. Tambin se podra definir como la obtencin de materias primas a

partir de desechos, introducindolos de nuevo en el ciclo de reutilizacin y se

produce ante la perspectiva del agotamiento de recursos naturales y para eliminar

de forma eficaz los desechos.

Por lo tanto una planta de Reciclaje es una instalacin de transformacin de

residuos de forma que puedan volver a ser reintroducidos en el ciclo de

produccin.






6

TIPOS DE NAVES INDUSTRIALES

Una Nave Industrial es un conjunto de elementos que se combinan para la

construccin perifrica de grandes almacenes, depsitos, plantas talleres, etc. En

la fabricacin de una nave industrial se requiere de estructura metlicas techos

aligerados y equipos.

Existen diversos tipos de naves industriales que dependen de un sistema

estructural que sea seguro y econmico. Esta es la fase ms difcil y a la vez la

mas importante de la Ingeniera Estructural. A menudo se requieren varios

estudios independientes de diferentes soluciones antes de decidir cual es la forma

(marco, armadura, arco, etc.) ms apropiada. Una vez tomada la decisin, se

especifican las cargas, materiales, disposicin de los miembros y de sus

dimensiones de conjunto.

Las formas estructurales mayormente utilizadas para solucionar el problema de

disear una nave industrial, se reducen a las siguientes.

Marcos Rgidos.

Los marcos rgidos se usan a menudo en edificios y se componen de vigas y

columnas que estn articuladas o bien son rgidas en sus cimentaciones. Los

marcos pueden ser bidimensionales o tridimensionales. La carga en un marco

ocasiona flexin en sus miembros, y debido a las conexiones entre barras rgidas,

esta estructura es generalmente indeterminada desde el punto de vista del

anlisis.






7

Armaduras y columnas.

Cuando se requiere que el claro de una estructura sea grande y su altura no es

criterio importante de diseo, puede seleccionarse una armadura. Las armaduras

consisten en barras en tensin y elementos esbeltos tipo columna, usualmente

dispuestos en forma triangular. Las armaduras planas se componen de miembros

situados en el mismo plano y se usan a menudo para puentes y techos, mientras

que las armaduras espaciales tienen miembros en tres dimensiones y son

apropiadas para gras y torres.

Debido al arreglo geomtrico de sus miembros, las cargas que causan la flexin

en las armaduras se convierten en fuerza de tensin o compresin en los

miembros, y por esto una de las ventajas de la armadura, respecto a una viga, que

utiliza menos material para soportar una carga dada, pudindose adaptar de

varias maneras para soportar una carga impuesta.

En las armaduras de cubiertas de naves industriales la carga se transmite a

travs de los nudos por medio de una serie de largueros. La armadura de

Fig. 1.1.- Nave industrial de marco rgido con seccin variable.1

1Nave Industrial Construcciones MABASA






8

cubiertas junto con sus columnas de soporte se llama marco. Ordinariamente, las

armaduras de techo estn soportadas por columnas de acero, concreto reforzado

o por muros de mampostera.

Otros sistemas estructurales.

Los arcos se constituyen como otra solucin. Estas son generalmente utilizadas

para cubiertas de naves industriales o hangares, como tambin en estructuras de

puentes.

Al igual que los cables, los arcos pueden usarse para reducir los momentos

flexionantes en estructuras de grandes claros. Esencialmente un arco es un cable

invertido, por lo que recibe su carga principal en compresin aunque, debido a su

rigidez debe resistir cierta flexin y fuerza cortante dependiendo de cmo este

cargado y conformado.

Fig. 1.2 .- Nave industrial de marcos compuestos por armaduras y columnas.2

2 Nave Industrial Nave Industrial Av. Cien Metros 857.






9

Fig. 1.3 .- Nave industrial de marcos compuestos por arcos y columnas.3

3 Nave Industrial Nave Industrial Hermenegildo Galeana No. 100






10

Captulo 2

Anlisis Estructural

2.1 DESCRIPCIN DE LA ESTRUCTURA

La Planta arquitectnica es de forma irregular, las dimensiones son 94.00 m de largo por

46.00 m de ancho de un lado reduciendo hasta 26.50 m, la altura de las columnas son de

6.00 m y la altura del parte aguas ser de 7.50 m. La cubierta es a dos pendientes. (Ver

anexo 1)

La estructura est formada por marcos rgidos de seccin variable de acero estructural A

36, con vigas de unin de seccin IR y canales estndar para formar los largueros.

En base a los criterios de Las Normas Tcnicas complementarias de Diseo de

Cimentaciones, el proyecto se ubica en la zona II (Transicin) de acuerdo a la

zonificacin del Distrito Federal que fija el artculo 170 del Reglamento de Construcciones.

Se propone una cimentacin a base de zapatas aisladas con contra trabes de liga.

De acuerdo al artculo 139 del ttulo Sexto del Reglamento de Construcciones, el

proyecto se clasifica en el grupo B. Construcciones industriales.






11

2.2 TIPOS DE SOLICITACIONES

Segn el Reglamento del Distrito Federal vigente en el art. 151 consideran tres

tipos de acciones de acuerdo con la duracin en que obran sobre las estructuras

con su intensidad mxima:

I. Las acciones permanentes son la que obran en forma continua sobre la

estructura y cuya intensidad varia poco con el tiempo. Las principales

acciones que pertenecen a esta categora son: las cargas muertas, debidas

al peso propio de la estructura y al de los elementos no estructurales de la

construccin; el empuje esttico de tierras y lquidos que tengan un carcter

permanente; y las deformaciones y desplazamientos impuestos a la

estructura que varan poco con el tiempo, como los debidos a preesfuerzos

o a movimientos diferenciales permanentes de los apoyos;

II. Las acciones variables son aquellas que obran sobre la estructura con

una intensidad que varia significativamente con el tiempo. Las principales

acciones que entran en esta categora son: la carga viva; los efectos de

temperatura; las deformaciones impuestas en los hundimientos

diferenciales que tengan una intensidad variable con el tiempo, y las

acciones debidas al funcionamiento de maquinaria y equipo, incluyendo los

efectos dinmicos que pueden presentarse debido a vibraciones, impacto o

frenaje;

III. Las acciones accidentales son las que se deben al funcionamiento

normal de la edificacin y que pueden alcanzar intensidades significativa

slo durante lapsos breves. Pertenecen a esta categora: las acciones

ssmicas; los efectos del viento; los efectos de explosiones, incendios y

otros fenmenos que pueden presentarse en casos extraordinarios.






12

2.2.1 ACCIONES PERMANENTES

Cargas Muertas

Se llama carga muerta al conjunto de acciones que se producen por el peso propio de la

construccin; incluye el peso de la estructura misma y el de los elementos no

estructurales, como los muros divisorios, los revestimientos de piso muros y fachadas, la

ventanera, las instalaciones y todos los elementos aquellos que conservan una posicin

fija en la construccin, de manera que gravitan en forma constante sobre la estructura. La

carga muerta es la principal accin permanente.

El clculo de la carga muerta es en general sencillo ya que slo requiere la determinacin

de los volmenes de los distintos componentes de la construccin y su multiplicacin por

los pesos volumtricos de los materiales constitutivos. En su mayora las cargas muertas

se representan por medio de cargas uniformemente distribuidas sobre las distintas reas

de la construccin, aunque hay casos de cargas lineales y concentradas (equipos fijos).

En la tabla 2.1 se incluyen pesos de diversos calibres de lmina galvanizada de IMSA.

CALIBRE ESPESOR PLG. ESPESOR MM PESO X M220 0.0374 0.95 8.9722 0.0314 0.798 7.5224 0.0224 0.569 5.36

2.2.2 ACCIONES VARIABLES

Cargas Vivas

La carga viva es la que se debe a la operacin y uso de la construccin. Incluye, por

tanto, todo aquello que no tiene una posicin fija y definitiva dentro de la misma y no

puede considerarse como carga muerta. Entran as la carga viva el peso y las cargas

debidas a muebles, mercancas equipos y personas. La carga viva es la principal accin

variable que debe considerarse en el diseo.

Tabla 2.1.- Pesos de lmina galvanizada.4

4 Pesos de Lminas Proveedor IMSA






13

Las cargas vivas de diseo para edificios especificadas por el RCDF se presenta en la

siguiente tabla. Tabla 2.2 Cagas vivas unitarias (kg/m2)5

5Gaceta Oficial del Distrito Federal, 2004, Normas Tcnicas Complementarias para Diseo y Construccin de Cimentaciones, GDF, Mxico.p. 9






14

Para la aplicacin de las cargas vivas unitarias se deber tomar en consideracin las

siguientes disposiciones:

a) La carga viva mxima Wm se deber emplear para diseo estructural por fuerzas

gravitacionales y para calcular asentamientos inmediatos en suelos, as como para

el diseo estructural de los cimientos ante cargas gravitacionales;

b) La carga instantnea Wa se deber usa para diseo ssmico y por viento y cuando

se revisen distribuciones de carga ms desfavorables que la uniformemente

repartida sobre toda el rea;

c) Cuando el efecto de la carga viva sea desfavorable para la estabilidad de la

estructura, como en el caso de problemas de flotacin, volteo y de succin por

viento, su intensidad se considerar nula sobre toda el rea, a menos que pueda

justificarse.

CARGAS DE LLUVIA, GRANIZO Y HIELO.

La precipitacin atmosfrica puede producir cargas significativas especialmente en el

diseo de los techos. Los reglamentos especifican, cargas equivalentes que corresponden

a la ocurrencia de fenmenos atmosfricos y que, por tanto, deben considerarse como

acciones accidentales, aunque las cargas puedan permanecer actuando en ocasiones

durante periodos relativamente largos.

La lluvia puede producir cargas importantes en techos planos cuando hay un mal

funcionamiento de los desages. El valor de la carga viva especificado por el RCDF

pluvial produce deflexiones de cierta importancia que hacen que se incremente la

cantidad de agua que puede acumularse y por tanto la magnitud de la carga y la

deflexin. El valor de la carga viva especificado por el RCDF para techos planos pretende

cubrir este efecto; si embargo, especialmente en techos inclinados, la carga de lluvia

puede llegar a ser mayor que la carga viva especificada, de manera que conviene disear

cada porcin del techo para la carga producida por toda el agua que puede acumularse si

las bajadas pluviales llegan a taparse.






15

El granizo, puede deslizarse hacia los valles de techos con pendientes grandes formando

acumulaciones que representan cargas apreciables. En la Ciudad de Mxico en ms de

una ocasin han ocurrido fallas de cubiertas ligeras debido a ese fenmeno. La carga viva

en techos inclinados del RCDF intenta cubrir principalmente este efecto, en particular la

especificacin de que en los valles de techos inclinados debe considerarse una carga de

30 kg/m2 de proyeccin horizontal del techo que desage hacia el valle.

2.3 ANLISIS DE CARGAS

Cubierta.

Lmina cal. 22 (tabla 2.1) 8.00

Instalaciones 10.00

Carga Muerta 18.00

Carga Viva mxima (Wm) 40.00

Carga Viva para sismo (Wa)

20.00

Carga viva media (W) 5.00

Valores en kg/m2

Valores en kg/m2

Lmina Galvanizada

Canal CE standar






16

Carga de servicio mxima (C.S.G.) 58.00

Carga de servicio sismo (C.S.S.) 38.00

Carga de servivio media (C.S.M.) 23.00

Vigas Principales.

Considerando los datos del plano arquitectnico, se proponen vigas y columnas de

seccin I con peralte variable.

Elemento Area de seccion

(m2) No. Vigas

Peso Placa

(kg/m2) Peso Total (kg)

Viga principales 77.46 10 142.34 110,256.56

Columnas.

Valores en kg/m2

60

90

1.92

1.92 30

50

60

90

1.92

1.92 30

50






17

Elemento rea de seccin

(m2) No. Vigas

Peso Placa

(kg/m2) Peso Total (kg)

Columnas 10.03 20 142.34 28,553.40

Vigas de Unin.

Elemento Peso de seccin

(kg/m2)

Longitud

(m) Peso Total (kg)

Vigas de Unin IR 12X16 23.90 379.00 9,058.10

Largueros.

Elemento Peso de seccin

(kg/m2)

Longitud

(m) Peso Total (kg)

Largueros CE 10X25 37.20 2083.00 77,487.60

bf

tf

twd

IR 12X16






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Realizando el anlisis de cargas gravitacionales se obtiene la siguiente descarga:

Cubierta 3681x65= 239,265.00

Vigas Principales = 110,256.56

Columnas = 28,553.40

Vigas de Unin = 9,058.10

Largueros = 77,487.60

464,620.66

Valores en kg






19

2.4 ANALISIS POR SISMO

EFECTOS DE LOS SISMOS EN EDIFICIOS.

Los sismos son, esencialmente, vibraciones de la corteza terrestre provocadas por fallas

subterrneas del suelo. Ocurren varias veces al da en diversas partes del mundo, aunque

slo unos cuantos durante el ao son de magnitud suficiente para ocasionar daos

significativos en los edificios. Los grandes sismos ocurren con ms frecuencia en regiones

particulares de la superficie terrestre que se denominan zonas de alta probabilidad. Sin

embargo, tericamente es posible que alguna vez ocurra un gran sismo en cualquier parte

de la Tierra.

Durante un sismo la superficie del suelo se mueve en todas direcciones. Los efectos ms

destructivos en estructuras, por lo general, son los movimientos en una direccin paralela

a la superficie del suelo (es decir, horizontalmente) debido al hecho de que las estructuras

casi siempre se disean para cargas verticales de gravedad. Por consiguiente, para fines

de diseo, el efecto mayor de un sismo, por lo regular, se considera en funcin de una

fuerza horizontal parecida al efecto del viento.

EFECTOS DE LOS SISMOS

Los movimientos del suelo provocados por sismos pueden ocasionar varios tipos de

efectos perjudiciales. Algunos de los efectos mayores son:

Movimiento directo de las estructuras. El movimiento directo es el desplazamiento de la

estructura provocado por su conexin al suelo. Los dos efectos principales de este

movimiento son un efecto desestabilizante general a causa de la sacudida y el de la

fuerza impulsora ocasionada por la inercia de la masa de la estructura.

Fallas en la superficie del suelo. Las fallas en la superficie pueden consistir en grietas,

desplazamientos verticales, asentamiento general de un rea, derrumbes, etc.

Ondas ssmicas marinas. Los movimientos del suelo pueden suscitar ondas en la

superficie de cuerpos de agua que pueden provocar daos de consideracin en reas

costeras.






20

Inundaciones, incendios, explosiones, etc. Las fallas o movimientos del suelo pueden

provocar daos en presas, embalses, mrgenes de ros, tuberas subterrneas, etc., que

pueden producir diversas formas de desastre.

El efecto de la fuerza provocado por el movimiento, es directamente proporcional al peso

muerto de la estructura o, al peso sustentado por la estructura. Este peso tambin

determina, parcialmente, el carcter de respuesta dinmica de la estructura. Las otras

influencias importantes en la respuesta de la estructura son su periodo fundamental de

vibracin y su eficiencia de absorcin de energa.

El periodo de vibracin est determinado, por la masa, la rigidez y el tamao de la

estructura. La eficiencia energtica est determinada por la elasticidad de la estructura y

por varios factores, tales como la rigidez de los apoyos, el nmero de partes que se

mueven independientemente y la rigidez de las conexiones.

Si se sacude un asta bandera con un objeto pesado en la parte superior con el intento de

quebrarla, pronto se aprender a sincronizar los empujes y jalones con la tendencia

natural del asta a vibrar de un lado a otro con un ritmo determinado, que es su periodo

fundamental. Si tiende a balancearse de un lado a otro un ciclo completo una vez por

segundo cuando se jala y deja de vibrar, tendr un periodo fundamental de un segundo.

S se puede predecir de manera aproximada la velocidad con que se sacudir el suelo, lo

cual es similar a controlar la velocidad o ritmo con que se sacude la base del asta, as se

podra ajustar el ritmo con que el asta vibrar naturalmente, de tal manera que los dos

puedan o no coincidir. Si coinciden, entonces las dimensiones del balanceo se harn ms

grandes; se dice que el asta entra en resonancia y las cargas sobre ella aumentarn.






21

El movimiento del suelo impartir al edificio vibraciones similares a las que se producen

al sacudir el asta de bandera. Los perodos fundamentales de las estructuras pueden

fluctuar de aproximadamente 0.005 seg. Para una pieza de equipo bien anclada, 0.1 para

un marco sencillo de un piso, 0.5 para una estructura baja de hasta cuatro pisos, y entre

1 y 2 segundos para un edificio alto de 10 a 20 pisos. Un tanque de agua sobre solo

apoyo puede tener un perodo fundamental de 4 segundos, el de una torre de perforacin

fuera de la costa estar entre 2.5 a 6 segundos y un gran puente colgante puede tener un

perodo de cerca de 6 segundos. (Ver Figura 2.1)

Una relacin de mayor inters es la que ocurre entre el periodo de la estructura y el del

sismo. La figura 2.2 muestra una serie de curvas, denominadas curvas espectrales, que

representan esta relacin tal como se deriv de un gran nmero de reproducciones de

sismos en estructuras con diferentes periodos. La curva superior representa el mayor

efecto en una estructura sin amortiguamiento. El amortiguamiento produce una reduccin

Figura 2.1. Periodos fundamentales de diversas estructuras.7

7 Arnold, Christopher y reitherman Robert, Configuracin y Diseo Ssmico de Edificios, 1era edicin, Mxico, Editorial Limusa. p.40






22

de la magnitud de los efectos, sin embargo, se conserva la adhesin general a la forma

bsica de la respuesta.

En la figura 2.3 se muestra una serie de pndulos en voladizo cuyos periodos crecen

hacia la derecha. Si se supone que estn unidos a una base mvil, y sta se desplaza

para presentar el movimiento de un sismo, tal como se registra en un sismgrafo,

entonces se podr registrar la respuesta mxima de cada pndulo, es decir, el tiempo y la

frecuencia particular durante el sismo en que cada pndulo tender a resonar con

vibracin de mxima amplitud. Estas respuestas mximas se pueden graficar en funcin

de los perodos del pndulo y se obtendr una curva, o espectro de respuesta, que

relaciona la naturaleza del movimiento del suelo con un intervalo de perodos naturales.

Cada lugar tendr un espectro de respuesta diferente en trminos de magnitud, tipo de

movimiento del suelo y distancia al deslizamiento de la falla para cada sismo que se

grafique.

Figura 2.2. Grafica de respuesta espectral.8

8 Ambrose, James, Estructuras, 1era edicin, Mxico, Editorial Limusa. p.572






23

Una estructura, tambin puede tener ms de un periodo, aun cuando los factores

permanecen constantes. Hay modos de vibracin ms altos en que la estructura

experimentar deflexiones con ms ondulaciones y no solo flexin de un lado para otro.

Aunque por lo general el primer modo, movimiento simple de un lado a otro, es el perodo

fundamental de inters estructural, los modos superiores pueden ser importantes para los

edificios angostos y altos.

La interpretacin general del efecto espectral es que el sismo tiene su efecto mayor de

fuerza directa en edificios con periodos cortos. stos tienden a ser edificios con sistemas

resistentes laterales rgidos, por ejemplo, muros de cortante y marcos arriostrados en X y

edificios bajos, de perfil voluminoso, o con ambas caractersticas.

En estructuras flexibles, muy grandes, por ejemplo torres altas o rascacielos, el periodo

puede ser tan largo que la estructura produce un efecto de ltigo, con diversas partes de

la estructura movindose en direcciones opuestas al mismo tiempo.

Los tres casos generales de respuesta estructural se ilustran en la figura 2.4. Recurriendo

a las curvas espectrales, en edificios con un periodo por debajo del que representa la

terminacin superior de las curvas (aproximadamente 0.3 s), la respuesta es la de una

estructura rgida sin prcticamente ninguna flexin. En edificios con un periodo

ligeramente ms alto, se reduce en parte el efecto de la fuerza causado por el ligero dar

de si del edificio y su consumo parcial en su propio movimiento de la fuerza inducida por

el movimiento del suelo. A medida que se incrementa el periodo del edificio, el

comportamiento se aproxima al de la torre esbelta.






24

El movimiento del suelo no daa al edificio por un impacto similar al de una bola de un

demoledor, o por presin aplicada externamente, como la del viento si no de fuerzas de

inercia generadas internamente causadas por la vibracin de la masa del edificio. La

masa, tamao y forma del edificio (su configuracin) determinan parcialmente tanto la

naturaleza de estas fuerzas como la manera en que sern resistidas.

Las fuerzas de inercia son el producto de la masa por la aceleracin (F=mxa de Newton).

La aceleracin es el cambio de la velocidad (o la velocidad en determinada direccin) en

funcin del tiempo, y es una funcin de la naturaleza del temblor. La masa es una

caracterstica del edificio. Puesto que las fuerzas son de inercia, por lo general un

aumento en la masa produce un aumento de fuerza, de all la virtud inmediata del uso de

la construccin de peso ligero como un enfoque del diseo ssmico.

Adems del movimiento de la estructura en conjunto, hay movimientos independientes de

partes individuales. Cada una de stas tiene sus propios periodos de vibracin y el

movimiento total que se produce en la estructura puede ser, bastante complejo cuando se

compone de varias partes flexibles.


Figura 2.4. Respuesta ssmica de edificios.9






25

ANALISIS SISMICO ESTATICO.

El diseo ssmico de edificios debe seguir las prescripciones del Reglamento de

Construcciones del Distrito Federal. El primer paso del diseo es el anlisis ssmico que

permite determinar qu fuerzas representan la accin ssmica sobre la nave y qu

elementos mecnicos (fuerzas normales y cortantes y momentos flexionantes) producen

dichas fuerzas en cada miembro estructural de la nave industrial.

Zonificacin.

En base a los criterios de Las Normas Tcnicas complementarias por Sismo, el proyecto

se ubica en la zona II (Transicin) de acuerdo a la zonificacin del Distrito Federal que fija

el artculo 170 del Reglamento de Construcciones. (Figura 2.5)

Fig. 2.5.- Zonificacin geotcnica de la Ciudad de Mxico.10

Ubicacin del

Proyecto

10 Gaceta Oficial del Distrito Federal, 2004, Normas Tcnicas Complementarias para Diseo por Sismo, GDF, Mxico, p.59






26

Coeficiente Ssmico.

Como ndice de la accin de diseo se emplea el coeficiente ssmico, c, que sirve de base

para la construccin del espectro de diseo o puede usarse directamente como fraccin

del peso total de la construccin, W, que constituye la fuerza cortante horizontal, V, que

acta en la base de la construccin.

El coeficiente ssmico vara segn el peligro ssmico del sitio, segn el tipo de suelo y

segn la importancia de la construccin.

El coeficiente ssmico para las edificaciones clasificadas como el grupo B, se tomara igual

a 0.32 en la zona II. Ver tabla 2.3.

Zona c ao Ta1 Tb

1 r

I 0.16 0.04 0.20 1.35 1.00

II 0.32 0.08 0.20 1.35 1.33

IIIa 0.40 0.10 0.53 1.80 2.00

IIIb 0.45 0.11 0.85 3.00 2.00

IIIc 0.40 0.10 1.25 4.20 2.00

IIId 0.30 0.10 0.85 4.20 2.00

Factor de Comportamiento Ssmico

Para el factor de comportamiento, ssmico, Q, depende del tipo de sistema estructural

que suministra la resistencia de fuerzas laterales y de los detalles de dimensionamiento

que se adopten, como se explica en la tabla 2.4 que refleja la seccin 5 de Normas

Tcnicas de Diseo por Sismo.

Tabla 2.3. Valores de los parmetros para calcular los espectros de aceleraciones.11

11 Gaceta Oficial del Distrito Federal, 2004, Normas Tcnicas Complementarias para Diseo por Sismo, GDF, Mxico, p.62






27

Requisitos para Q= 4

Se usara Q=4 cuando se cumplan los requisitos siguientes:

a) La resistencia en todos los entrepisos es suministrada exclusivamente por marcos

no contraventeados de acero, concreto reforzado o compuestos de los dos

materiales, o bien por marcos contraventeados o con muros de concreto reforzado

o de placa de acero o entrepiso los marcos son capaces de resistir, sin contar

muros ni contravientos, cuando menos 50 por ciento de la fuerza ssmica actuante.

b) Si hay muros de mampostera ligados a la estructura, stos se deben considerar

en el anlisis, pero su contribucin a la resistencia ante fuerzas laterales slo se

tomar en cuenta si son piezas macizas, y los marcos, sean o no contraventeados,

y los muros de concreto reforzado, son capaces de resistir al menos 80 por ciento

de las fuerzas laterales totales sin la contribucin de los muros de mampostera

c) El mnimo cociente de la capacidad resistente de un entrepiso entre la accin de

diseo no difiere en ms de 35 por ciento del promedio de dichos cocientes para

todos los entrepisos. Para verificar el cumplimiento de este requisito, se calcular

la capacidad resistente de cada entrepiso teniendo en cuenta todos los elementos

que puedan contribuir a la resistencia.

d) Los marcos y muros de concreto reforzado cumplen con los requisitos que fijan las

Normas correspondientes para marcos y muros dctiles.

e) Los marcos rgidos de acero satisfacen los requisitos para marcos con ductilidad

alta que fijan las Normas correspondientes, o estn provistos de contraventeo

excntrico de acuerdo con las mismas Normas

Requisitos para Q=3

Se usar Q=3 cuando se satisfacen las condiciones, b y d e de los incisos anteriores; y

en cualquier entrepiso dejan de satisfacerse las condiciones a c, pero la resistencia en

todos los entrepisos es suministrada por columnas de acero o de concreto reforzado con

losas planas, por marcos rgidos de acero, por marcos de concreto reforzado, por muros

de concreto o de placa de acero o compuestos de los dos materiales, por combinaciones






28

de los dos materiales, por combinaciones de stos y marcos o por diafragmas de madera.

Las estructuras con losas planas y las de madera debern adems satisfacer los

requisitos que sobre el particular marcan las Normas correspondientes. Los marcos

rgidos de acero satisfacen los requisitos para ductilidad alta o estn provistos de

contraventeo concntrico dctil.

Requisitos par Q=2

Se usar Q=2 cuando la resistencia a fuerzas laterales es suministrada por losas planas

con columnas de acero o de concreto reforzado, por marcos de acero con ductilidad

reducida o provistos de contraventeo con ductilidad normal, o de concreto reforzado, por

marcos de acero con ductilidad normal, o de concreto reforzado que no cumplan con los

requisitos para ser considerados dctiles, o muros de concreto reforzado, de placa de

acero o compuestos de acero y concreto, que no cumplen en algn entrepiso los

especificado por los prrafos anteriores, o por muros de mampostera de piezas ,macizas

confinados por castillos, dalas, columnas o trabes de concreto reforzado o de acero que

satisfacen los requisitos de las Normas correspondientes.

Tambin se ser Q= 2 cuando la resistencia es suministrada por elementos de concreto

prefabricado o presforzado, con las excepciones que sobre el particular marcan las

Normas correspondientes, o cuando se trate de estructuras de madera, o de algunas

estructuras de acero que se indican en las Normas correspondientes.

Requisitos para Q=1.5

Se usara Q=1.5 cuando la resistencia a fuerzas laterales suministrada en todos los

entrepisos por muros de mampostera de piezas huecas, confinados o con refuerzo

interior, que satisfacen los requisitos de las Normas correspondientes, o por

combinaciones de dicho muros con elementos descritos en 2 y 3 o por marcos y

armaduras de madera, o por algunas estructuras de acero que se indican en las Normas

correspondientes.






29

Requisitos para Q=1

Se usar Q=1 es estructuras cuya resistencia a fuerzas laterales es suministrada al

menos parcialmente por elementos o materiales diferentes de los anteriormente

especificados, a menos que se haga un estudio que demuestre, a satisfaccin de la

Administracin, que se puede emplear un valor ms alto que el que aqu se especifica;

tambin en algunas estructuras de acero que se indican en las Normas

correspondientes.

Atendiendo a las descripciones anteriores se tomara el Factor de Comportamiento

Ssmico Q=1

Condiciones de Regularidad

Para que una estructura pueda considerarse regular debe satisfacer los siguientes

requisitos:

1) Su planta es sensiblemente simtrica con respecto a dos ejes ortogonales por lo

que toca a masas, as como a muros y otros elementos resistentes. Estos son,

adems, sensiblemente paralelos a los ejes ortogonales principales del edificio.

2) La relacin de su altura a la dimensin menor de base no pasa de 2.5.

3) La relacin de largo a ancho de la base no excede de 2.5.

4) En la planta no tiene entrantes ni salientes cuya dimensin exceda de 20 por

ciento de la dimensin de la planta medida paralelamente a la direccin que se

considera del entrante o saliente.

5) En cada nivel tiene un sistema de techo o piso rgido y resistente.

6) No tiene aberturas en sus sistemas de techo o piso cuya dimensin exceda de 20

por ciento de la dimensin en planta medida paralelamente a la abertura; la reas

huecas no ocasionan asimetras significativas ni difieren en posicin de un piso a

otro, y el rea total de aberturas no excede en ningn nivel de 20 por ciento del

rea de la planta.






30

7) El peso de cada nivel, incluyendo la carga viva que debe considerarse para diseo

ssmico, no es mayor que 110 por ciento del correspondiente al piso inmediato

inferior ni, excepcin hecha del ltimo nivel de la construccin, es menor que 70

por ciento de dicho peso.

8) Ningn piso tiene un rea delimitada por los paos exteriores de sus elementos

resistentes verticales, mayor que 110 por cierto de la del piso inmediato inferior ni

menor que 70 por ciento de sta. Se exime de este ltimo requisito nicamente al

ltimo piso de la construccin. Adems, el rea de ningn entrepiso excede en

ms de 50 por ciento a la menor de los pisos inferiores.

9) Todas las columnas estn restringidas en todos los pisos en dos direcciones

sensiblemente ortogonales por diafragmas horizontales y por trabes o losas

planas.

10) Ni la rigidez ni la resistencia al corte de ningn entrepiso difieren en ms de 50 por

ciento de la del entrepiso inmediatamente inferior. El ltimo entrepiso queda

excluido de este requisito.

11) En ningn entrepiso la excentricidad torsional calculada estticamente, es, excede

del diez por ciento de la dimensin en planta de ese entrepiso medida

paralelamente a la excentricidad mencionada.

Calculo de Fuerzas Cortantes.

En el primer prrafo de la seccin 8 de las NTCDS, las fuerzas cortantes ssmicas en los

diferentes niveles de una estructura pueden evaluarse suponiendo un conjunto de fuerzas

horizontales que obran sobre cada uno de los puntos donde se supongan concentradas

las masas. La fuerza actuante donde se concentra una masa i es igual al peso de la

misma, Wi, por un coeficiente proporcional a la altura hi de la masa en cuestin sobre el

desplante. El factor de proporcionalidades tal que la relacin Vo/Wo, siendo Vo la fuerza

cortante basal y Wo el peso total de la construccin, sea igual a c/Q, donde c y Q se

determinaron en los prrafos anteriores.






31

La fuerza horizontal Pi aplicada en el centro de masas del nivel i est dada por la formula:

Ec. 2.1

Aplicando esta frmula a la nave industrial, considerando que la estructuracin, los

materiales y los detalles constructivos empleados son tales que el factor de

comportamiento ssmico Q puede tomarse igual a 1 en la direccin X y Y. Considerando

tambin, que la estructura est ubicada en la zona de terreno de transicin (II) y que se

trata de una construccin que por su importancia se clasifica como del grupo B.

Empleando los datos anteriores y siguiendo la ecuacin 2.1, en la direccin X y Y:

c/Q=0.30. A partir de esta informacin se ha elaborado la tabla 2.2 donde se presenta en

forma sistematizada las operaciones para obtener en ambas direcciones, las fuerzas

actuantes en cada piso Pi

En direccin X y Y

NIVEL

. . .

.

TON M TON

1 464.0 6.0 2784.0 148.00

SUMA 464.0

2784.0

Para obtener las fuerzas por marco lo que se har es dividir la fuerza resultante entre el

numero de marcos en la direccin donde se est analizando, por ejemplo, en la direccin

X, considerando la planta de la estructura, se tienen 10 marcos en esa direccin. Por lo

que se obtiene:

Sismo en X






32

Se considera la fuerza en Y igual al 30% de la magnitud de la fuerza en X; por lo tanto se

obtiene:

Sismo en Y

Se considera la fuerza en X igual al 30% de la magnitud de la fuerza en Y; por lo tanto se

obtiene:

2.5 ANALISIS POR VIENTO

El viento es aire en movimiento. El aire posee una masa caracterstica (densidad o peso)

y se mueve en una direccin particular a una velocidad dada. Por consiguiente cuenta

como energa cintica expresada como:

E=1/2 mv2

Cuando el movimiento del aire se topa con un objeto fijo, existen varios efectos que se

combinan para ejercer fuerza sobre el objeto. La naturaleza de esta fuerza, las diversas

variables que la afectan y la transformacin de los efectos en criterios para diseo

estructural.






33

Condiciones del viento

De fundamental inters en la evaluacin del viento es la velocidad mxima que ste

alcanza. Velocidad mxima, por lo general, se refiere a la velocidad sostenida y n a

efectos de racha. Una racha es, esencialmente, una bolsa de viento de alta velocidad

dentro de la masa de aire general en movimiento. El efecto resultante de una racha es el

de un breve incremento, u oleada, de la velocidad del viento, por lo general de no ms de

15% de la velocidad sostena y slo con duracin de una fraccin de segundo. A causa de

su ms alta velocidad y su efecto de choque violento, la racha en general representa el

efecto ms crtico del viento en la mayora de los casos.

Los vientos se miden regularmente en muchos lugares. La medicin estndar se hace a

10 metros (aproximadamente 33 pies) sobre el terreno circundante, lo cual proporciona

una referencia fija con respecto a los efectos de retardo de la superficie del suelo. La

grfica de la figura expone la correlacin entre velocidad del viento y varias condiciones

de viento. La curva es la representacin grafica de la ecuacin general utilizada para

relacionar la velocidad del viento con la presin esttica equivalente en edificios.

Aunque las condiciones del viento, por lo regular, se generalizan para una regin

geogrfica dada, pueden variar considerablemente en sitios especficos a causa de la

naturaleza del terreno circundante, del paisaje o de las estructuras cercanas.

Efectos del viento.

Los efectos del viento sobre objetos fijos ubicados en su trayectoria se pueden generalizar

como en los estudios siguientes (figura 2.6):

Presin positiva directa. La superficies ubicadas frente al viento y perpendiculares a su

trayectoria reciben un efecto de impacto directo de la masa de aire en movimiento, el que,

por lo general, produce la mayor parte de la fuerza sobre el objeto, a menos que tenga

una forma aerodinmica.

Arrastre aerodinmico. Como el viento no se detiene despus de golpear el objeto sino

que se mueve alrededor de l como un fluido, surge un efecto de retardo en las

superficies que son paralelas a la direccin del viento. Estas superficies tambin pueden

experimentar presiones hacia dentro o hacia afuera; sin embargo, el efecto de retardo es






34

que contribuye a la fuerza general sobre el objeto en la direccin de la trayectoria del

viento.

Presin negativa. En el lado de sotavento del objeto (opuesto a la direccin del viento),

por lo regular, se presenta un efecto de succin, que consiste en una presin hacia afuera

sobre la superficie del objeto. Por comparacin con la direccin de la presin es el lado de

barlovento, sta se llama presin negativa.

Estos tres efectos se combinan para producir una fuerza neta sobre el objeto en la

direccin del viento, que tiende a moverlo junto con el viento. Adems de stos, existen

otros efectos posibles sobre el objeto que pueden ocurrir a causa de la turbulencia del aire

o a la naturaleza del objeto. Algunos de ellos son los siguientes:

Efectos oscilantes. Durante las tormentas de viento, la velocidad del viento y su direccin

casi nunca son constantes. Las rachas y los remolinos son comunes, de modo que un

objeto ubicado en la trayectoria del viento tiende a ser sacudido, agitado, oscilado, etc.

Los objetos con partes sueltas, con conexiones flojas, o con superficies muy flexibles

(como superficies hechas con tela y que no estn atirantadas) son ms susceptibles a

estos efectos.

Efectos armnicos. Cualquiera que toque un instrumento de viento se puede dar cuenta

que el viento puede producir vibracin, silbido, agitacin, etc. Estos efectos pueden ocurrir

bajas velocidades, as como en condiciones de tormenta de viento. Esta es una cuestin

de sincronizacin entre la velocidad del viento y el periodo natural de vibracin del objeto

o de sus componentes.






35

Efectos de desprendimiento. El efecto de reaccin de la masa de aire en movimiento

tiende a desprender los objetos que se encuentran en su camino. Este hecho es de

particular inters en el caso de objetos que sobresalen de la masa general del edificio,

como por ejemplo cobertizos, parapetos, chimeneas y anuncios.

Presin directa

Arrastre

Succin

Oscilacin,sacudimiento

Succin

Efectos dedesprendimiento

Figura 2.6 Efectos generales del viento12







36

La condicin crtica de las partes individuales o superficies de un objeto puede ser

provocada por cualquiera de los efectos anteriores o por una combinacin de stos. Los

daos pueden ser locales o totales con respecto al objeto. Si el objeto descansa en el

suelo, puede colapsarse, deslizarse, o ser arrollado o levantado de su posicin. Los

diversos aspectos del viento, del objeto sobre la trayectoria del viento, o del medio

ambiente circundante determinan los efectos crticos del viento. Las siguientes son

algunas consideraciones con respecto al viento mismo:

La magnitud de las velocidades sostenidas.

La duracin de las velocidades altas.

La presencia de efectos de racha, remolinos, etc.

La direccin dominante del viento (si la hay).

Las siguientes son algunas consideraciones con respecto a los objetos sobre la

trayectoria del viento:

El tamao del objeto (tiene que ver con el efecto relativo de las rachas, con las

variaciones de presin sobre el nivel del suelo, etc.)

La forma aerodinmica del objeto (determina la naturaleza crtica de retardo, succin

levantamiento, etc.).

El periodo fundamental de vibracin del objeto o de sus partes.

La rigidez relativa de las superficies, la restriccin de las conexiones, etc.

Con respecto al medio ambiente, pueden producirse efectos potenciales a consecuencia

de las situaciones de resguardo o encauzamiento provocadas por accidentes del suelo,

paisaje o estructuras adyacentes. Estos efectos pueden producir un incremento o

reduccin de los efectos generales del viento o de turbulencia, lo que origina una

condicin de viento muy inestable.






37

El comportamiento propiamente dicho de un objeto se puede determinar slo si se le

somete a una situacin real de viento. Las pruebas de laboratorio en el tnel de viento

tambin son tiles y como las pruebas se pueden creas de manera ms prctica cuando

se realizan por solicitud, han producido una gran parte del banco de datos y

procedimientos utilizados en el diseo.

Los mayores efectos del viento sobre edificios se pueden generalizar hasta cierto punto,

puesto que se conoce un nmero clasificado de caractersticas que abarcan las

condiciones ms comunes. Algunas de las suposiciones generales son las siguientes:

La mayora de los edificios son voluminosos o en forma de cajn, dando por resultado una

respuesta aerodinmica comn.

La mayora de los edificios presentan superficies cerradas, regularmente lisas el viento.

La mayora de los edificios cuentan con estructuras rgidas, que producen un nmero

bastante limitado de variaciones del periodo natural de vibracin de la estructura.

stas y otras consideraciones permiten la simplificacin de la investigacin del viento al

permitir que se eliminen varias variables o que se agrupen en unas cuantas constantes

modificantes. En situaciones excepcionales, por ejemplo edificios elevados, estructuras

abiertas, estructuras muy flexibles y formas aerodinmicas poco comunes, puede ser

aconsejable realizar una investigacin ms completa, incluyendo el posible uso de las

pruebas en tnel de viento.

El principal efecto del viento se representa en la forma de presiones normales a las

superficies exteriores del edificio. La base para esta presin se inicia con una conversin

de la energa cintica de la masa de aire en movimiento en una presin esttica mediante

la frmula bsica

P=Cv2

En la que C es una constante que representa la masa de aire. Con el viento en millas por

hora (mph) y la presin en libras por pie cuadrado (lb/pie2), el valor de C para el efecto

total del viento en un edificio simple en forma de cajn es aproximadamente 0.003






38

Presin hacia el interior sobre muros exteriores.

En las superficies que se presentan directamente frente al viento, se requiere que se

diseen para toda la presin en la base, aun cuando esto es un poco conservador, debido

a que la fuerza de barlovento, es aproximadamente de slo un 60% de la fuerza total del

edificio. El diseo para slo una parte de la fuerza total se compensa parcialmente por el

hecho de que las presiones en la base, no se relacionan con efectos de racha, los cuales

tienden a tener menos efecto en el edificio en conjunto y ms efecto en partes del mismo.

Succin en muros exteriores.

La mayora de los reglamentos tambin requieren que la succin en los muros exteriores

sea considerada como la presin total en la base, aunque los comentarios precedentes

acerca de la presin hacia el interior tambin son validos en este caso.

Presin en superficies de techo.

Segn su forma real, as como la del edificio en conjunto, las superficies no verticales

pueden verse sometidas a presiones de succin o hacia el interior a causa del viento.

Dichas superficies pueden experimentar ambos tipos de presin a medida que el viento

cambia de direccin. La mayora de los reglamentos establecen una presin (succin) de

levantamiento igual a la presin total de diseo a la altura del nivel del techo. La presin

hacia el interior, est relacionada con el ngulo de la superficie como una inclinacin con

respecto a la horizontal.

Fuerza horizontal total sobre el edificio.

La fuerza horizontal total se calcula como una presin horizontal sobre la silueta del

edificio, como previamente se describi, con ajustes hechos de acuerdo con la altura

sobre el nivel del suelo. El sistema estructural resistencia lateral del edificio se disea

para soportar esta fuerza.

Deslizamiento horizontal del edificio.

Adems del posible colapso del sistema resistente lateral, la posibilidad de que la fuerza

horizontal total pueda desprender el edificio de su cimentacin. Para un edificio alto con

cimentacin poco profunda (superficial), esto tambin puede construir un problema para la






39

transmisin de fuerza entre la cimentacin y el suelo. En ambos casos, el peso muerto del

edificio genera una friccin que ayuda a resistir esta fuerza.

Efectos de volteo.

Al igual que el caso de deslizamiento horizontal, el peso muerto tiende a resistir el efecto

de volteo o derribo. El efecto de volteo casi siempre se analiza en funcin del volteo de los

elementos verticales individuales del sistema resistente lateral en lugar del edificio

completo.

Viento sobre partes del edifico

El efecto de desprendimiento previamente analizado es crtico en el caso de elementos

que sobresalen de la masa general del edificio. Los reglamentos exigen para dichos

elementos una presin de diseo mayor que la presin de referencia, de modo que se

consideren los efectos de racha as como el problema de desprendimiento.

Efectos armnicos.

El diseo por vibracin, agitacin, abatimiento, oscilacin multimodal, etc., requiere un

anlisis dinmico y no se puede considerar cuando se utiliza el mtodo de casta esttica

equivalente. El atiesamiento, arriostramiento o contraventeo y atirantamiento de los

elementos en general pueden reducir las posibilidades de dichos efectos, no obstante slo

un anlisis verdadero o una prueba de tnel de viento puede asegurar la capacidad de la

estructura para resistir estos efectos armnicos.

Efectos de las aberturas.

Si la superficie de un edificio es cerrada suficientemente lisa, el viento se deslizar

alrededor de ella en un flujo continuo. Las aberturas o formas del edificio que tienen a

captar el viento pueden afectar, en gran parte, la fuerza total del viento sobre el edificio.

Es difcil considerar estos efectos en un anlisis matemtico, excepto de manera muy

emprica. La captacin del viento puede ser un efecto importante cuando todo el costado

de un edificio est abierto. Las cocheras, hangares, cascarones y otros edificios de forma

similar deben disearse para resistir una fuerza incrementada que slo se puede calcular

efectuando una prueba de tnel del viento.






40

Efecto torsional

Si un edificio no es numrico en funcin de la silueta que presenta al viento, o si el

sistema resisten te lateral no es simtrico dentro del edificio, la fuerza del viento puede

producir un efecto de torsin. Este efecto es el resultado de una desalineacin del

centroide (llamado centro de rigidez) del sistema resistente lateral y producir una fuerza

adicional en algunos de los elementos de la estructura.

Aunque en una regin pueden existir direcciones de viento dominantes comunes, se

debe considerar que el viento capaz de soplar en cualquier direccin. Segn la forma del

edifico y el arreglo de su estructura, puede requerirse un anlisis para resistir el viento de

diversas direcciones potenciales.

Influencia de la carga muerta

La carga muerta del edificio, es una ventaja en el diseo por viento, debido a que es un

factor estabilizante al resistir el levantamiento, volteo y deslizamiento y tiende a reducir la

incidencia de vibracin y oscilacin. Sin embargo, los esfuerzos que resultan las diversas

combinaciones de carga, las cuales incluyen carga muerta es excesiva.

Anclaje para fuerza de levantamiento, deslizamiento y volteo.

Las conexiones comunes entre las partes del edificio pueden encargarse adecuadamente

de las diversas transmisiones de fuerza de viento. En algunos casos, como cuando se

trata de elementos ligeros, el anclaje contra viento puede ser una consideracin

importante. En la mayora de los casos de diseo, la idoneidad de los detalles comunes

de la construccin se considera en primer lugar y se utilizan medidas extraordinarias

nicamente cuando se requieren.

Consideraciones de forma crticas

Varios aspectos de la forma del edificio pueden provocar incremento o reduccin de los

efectos del viento. Aunque no tan crtica en el diseo de un edificio como lo es en el caso

de un auto de carreras o avin, la aerodinmica puede mejorar la eficacia de la resistencia

al viento del edifico.






41

Algunas situaciones potenciales crticas como se muestran en la figura 2.7, son las

siguientes:

1. Formas planas contra curvas. Los edificios con formas redondeadas, en lugar de

formas rectangulares con superficies planas, ofrecen menos resistencia al viento.

2. Los edificios altos que son cortos en dimensin horizontal son ms crticos con

respecto a volteo y posiblemente con respecto a la deflexin horizontal total en su

parte alta.

3. Los edificios abiertos o con formas que cortan el viento, tienden a atraparlo,

producindose ms fuerza de viento que la supuesta mediante las presiones

generales de diseo. Asimismo, las estructuras abiertas deben ser investigadas

con respecto a fuerza mayor hacia fuera sobre las superficies internas.

4. Salientes del edificio. Los altos parapetos, los barandales slidos, los balcones y

cobertizos en voladizo, las salientes anchas y los muros exteriores en voladizo, las

salientes anchas y los muros exteriores en voladizo atrapan considerables

cantidades de viento y contribuyen al efecto total de retardo en el edificio. Los

anuncios, chimeneas, antenas, penthouses y equipo en la azotea de un edificio

tambin son crticos para el efecto de desprendimiento.

Rigidez relativa de los elementos estructurales

En la mayora de los edificios, la estructura lateral consta de dos elementos bsicos: los

elementos horizontales de distribucin y los marcos verticales en voladizo o arriostrados.

La forma en que los elementos horizontales distribuyen las fuerzas y la forma en que los

elementos verticales comparten las fuerzas son consideraciones criticas en los anlisis de

viento. La rigidez relativa de los elementos es la mayor que afecta estas.






42

DISEO POR VIENTO.

En la figura siguiente se muestra un diagrama de flujo de los pasos a seguir para evaluar

las cargas ocasionadas por la accin del viento.

Efecto aerodinmico de las formas redondeadas de edificios

Arrastre

Resistencia allevantamiento requerida






43

Definir categora de terreno segn su rugosidad

CATEGORIAS: 1, 2, 3, 4

Definir la clase de estructura segn su tamao

CLASES: A, B, C

Determinacin de la velocidad de diseo, VD

INICIO

Clasificacin de la Estructura

Segn su importancia

GRUPOS: A, B, C

Segn su respuesta

TIPOS: 1, 2, 3, 4

Factor de rugosidad y

altura, Frz

Factor de tamao, Fc

Calculo final de VD

Clculo del factor de correccin de densidad G, y obtencin de la

presin dinmica de base, qz

Definir la velocidad regional, VR, para el periodo

de retorno requerido

Factor de topografa local, FT

a) Mtodo emprico

b) Mtodo Analtico

Factor de exposicin, F Cambio del periodo de retorno

c) Mtodo grfico

d) Mtodo Analtico

Cambios en la

rugosidad del terreno

para una direccin del

viento dada

Fig. 2.1.- Zonificacin geotcnica de la Ciudad de Mxico.4






44

Utilizar el anlisis de cargas esttico Utilizar el anlisis de cargas dinmico

Clculo de presiones y fuerzas para

diferentes tipos de estructuras y

recubrimientos

Presiones y fuerzas en la direccin del viento

Factor de respuesta dinmica debido a rfagas, Fg

Efectos aerodinmicos especiales; inestabilidad aeroelstica

Efectos transversales a la direccin del viento ALTO

ALTO

ESTRUCTURAS TIPO 1

(Incluye la estructura principal, la secundaria y sus recubrimientos y

sujetadores)

ESTRUCTURAS TIPO 2, 3, 4

(Incluye la estructura principal, la secundaria y sus recubrimientos y

sujetadores)

H/d>5 NO SI

Determinacin de las presiones, pz

Figura 2.8 Diagrama de Flujo del Procedimiento para obtener las cargas por viento.13

13 Comisin Federal de Electricidad. Manual de Diseo por Viento, Mxico Editorial C.F.E. 1993, p. 1.4.11






45

1. Clasificacin de la estructura.

Segn importancia Gpo. B

Segn su respuesta Tipo I

2. Determinacin de la velocidad de diseo (VD)

Definir categora de Terreno segn

su rugosidad CATEGORIA 4

Definir la clase de estructura

Segn su tamao CLASE C

3. Definir la velocidad regional VR (para el periodo de retorno requerido)

Periodo de retorno: 50 aos

Ciudad: Mxico D.F:

VR=110 km/h

4. Factor de exposicin

FC Factor de tamao est en funcin de la clase de la estructura

Factor de rugosidad y altura






46

Los coeficientes y estn en funcin de la rugosidad del terreno y el tamao de la

construccin.

5. Factor de Topografa

6. Clculo de la Velocidad de diseo

7. Clculo del factor de correccin de densidad G y obtencin de la presin dinmica

de base,

G es el factor de correccin por temperatura con respecto al nivel del mar.






47

Por lo tanto la presin dinmica de base

ANALISIS ESTATICO

KA= 1.010

KL= 1.010

SUPERFICIE DIRECCION

DEL VIENTO

d/b INCLINACION

DEL TECHO

(Kg/m2)

BARLOVENTO 0.8 20

SOTAVENTO

NORMAL 0.2772 < 10 -0.5 -12.5

PARALELO 3.61 -0.2 -5.0

PARA MUROS LATERALES

KA= 0.80

KL = 1.0






48

H=6m H=7.50m Kg/m2

DE 0 a 1H -0.65 -13.00

1H A 2H -0.5 -10.00

2H A 3H -0.3 -6.00

> 3H -0.2 -4.00

2.6 Combinaciones de Carga.

Atendiendo a la seccin 2.3 Combinaciones de acciones, inciso a de las Normas

Tcnicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el Diseo Estructural de las

Edificaciones, se obtienen las siguientes combinaciones:

COMBINACIONES DE CARGA

C.M. + C.V.

C.M. + SISMO X

C.M. + SISMO Y

C.M. + VIENTO

C.M. + GRANIZO






49

Captulo 3

MODELACIN DE LA ESTRUCTURA

El modelado de la estructura se realizara con ayuda del software STAAD PRO11 2004, un

programa de ingeniera estructural, que permite generar modelos en 2D y en 3D, adems

de analizarlos y disearlos. Su ambiente de trabajo contiene las herramientas de trabajo

muy accesibles evitando la bsqueda en submens que estn ocultos.

Existen tres actividades que se deben tomar en cuenta durante el uso del software:

La generacin del modelo.

En este punto se realiza la geometra del modelo.

Se asignan las secciones de los elementos con sus respectivas propiedades del

material como el modulo del Young, la relacin de Poisson, densidad, coeficiente

trmico, mdulo de cortante etc.

Se generan las cargas que la estructura soportar.

Se asigna en el modelo los tipos de apoyo con respecto al tipo de suelo donde se

construir el proyecto.

Anlisis del Modelo

En este apartado se obtiene:

Desplazamientos

Fuerzas

Reacciones

Revisin de Datos.

En el caso del diseo se compara con las normas que dependen del lugar y revisar

si el perfil propuesto se adecua al reglamento local.






50

En la figura 3.1 se observa la geometra del modelo, de la nave industrial, indicando sus

dimensiones, ancho, altura de columnas y longitudes de vigas principales.

En la figura 3.2 se muestra la planta de la Nave Industrial.

Una vez realizada la geometra de la estructura se asignan las propiedades de los

elementos, tales como; peralte, espesor, parmetros del material a utilizar. Figura 3.3

Figura 3.1. Dimensiones de la estructura.14

Figura 3.2. Planta de la estructura.15

18 Research Engineers Corp. Staad Pro, USA, Ver. 2004.

19 Id.






51

El software STAAD PRO, adems de ser numricamente eficiente, cuenta con

herramientas graficas para preparar datos y examinar resultados. Nos ayuda a idealizar el

modelo para darle un aspecto real. En la figura 3.3 se observa un marco que forma parte

de la estructura, ah se aprecia las secciones propuestas, estn indican una seccin

variable.

Figura 3.3. Vista de Marco de Seccin variable.17

Figura 3.3. Asignacin de Propiedades.16


19 Id.






52

En la figura 3.4 se muestra una vista en isomtrico de la estructura.

Con los resultados de los anlisis de cargas, anlisis por sismo y viento se asignan las

cargas al modelo generado en el programa.

Figura 3.4. Vista en Isomtrico de la Estructura.18

Figura 3.5. Carga Viva.19






53

Figura 3.6. Sismo en X.20

Figura 3.7. Sismo en Y.21


21 Id.






54

El ltimo paso ser analizar la estructura por medio de una instruccin la cual nos permite

realizar el anlisis y as obtener los elementos mecnicos (fuerza cortante, momento

flexionante). Figura 3.9

Figura 3.8. Viento. 22







55

Captulo 4 OBTENCIN DE ELEMENTOS MECANICOS Y DESPLAZAMIENTO

El anlisis de la estructura se realizara con ayuda del software STAAD PRO 200411 .El software realiza el anlisis utilizando el Mtodo de las Rigideces, el cual es un anlisis de tipo lineal, del que obtendremos fuerzas internas (elementos mecnicos) y desplazamientos (elementos geomtricos). Primeramente obtendremos los valores mximos de los elementos mecnicos para las

columnas.

CARGA AXIAL MAXIMA EN COLUMNAS Beam L/C Node Axial Force

(Mton) Shear-Y (Mton)

Shear-Z (Mton)

Torsion (MTon-m)

Moment-Y (MTon-m)

Moment-Z (MTon-m)

46 7 37 16.583 -22.930 -0.221 -0.000 0.895 -56.015 14 7 3 16.485 22.968 -0.091 0.000 0.166 56.391 46 7 49 -15.115 22.930 0.221 0.000 0.429 -81.568 14 7 15 -15.016 -22.968 0.091 -0.000 0.377 81.420 47 7 38 13.959 -18.037 -0.163 -0.000 0.583 -44.154 15 7 4 13.945 18.072 -0.072 0.000 0.124 44.199 19 7 8 13.326 13.834 -0.036 0.000 0.030 32.938 51 7 42 13.316 -13.835 -0.005 -0.000 0.094 -32.982 48 7 39 13.165 -16.013 -0.106 -0.000 0.380 -38.899 16 7 5 13.097 16.032 -0.045 0.000 0.069 39.126 50 7 41 12.912 -14.094 0.100 -0.000 -0.090 -33.759 18 7 7 12.827 14.075 0.132 0.000 -0.270 33.826 49 7 40 12.674 -14.583 -0.015 -0.000 0.149 -35.207 17 7 6 12.651 14.588 0.029 0.000 -0.072 35.226 47 7 50 -12.490 18.0

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