Facultad de Ingenierías y Arquitectura

TEMA

DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO DE UN EDIFICIO DE 5 PISOS

Docente : Ing. River Solorzano Espinoza

Alumnos : Maturrano Martinez, Luis

Matias Saravia, Miguel Angel

Espinoza Eguizabal Jack Herbert

Quispe Mattos, Francisco

Bonzano Estribur, Luis

CICLO : VIII

2014Pachacamac – Lima

CONTENIDO

1. DEDICATORIA

2. INTRODUCCIÓN

3. OBJETIVOS

4. RESEÑA HISTORICA

5. DESCRIPCION DEL PROYECTO

5.1. NORMAS EMPLEADAS

5.2. ORGANIZACIÓN DE LA ESTRUTURA

5.3. ELEMENTOS ESTRUCTURALES

5.4. PREDIMENSIONAMIENTO DE LA CELOSIA

5.5. DISEÑO DEL TIJERAL

5.6. VIGUETAS DE LA CELOSIA

5.7. DISEÑO DE LAS VIGAS

5.8. DIESÑO DE LA COLUMNA

5.9. PLANCHA PARA COLUMNAS

5.10. VIGUETAS PARA TECHOS

6. CONCLUSIONES

7. BIBLIOGRAFIA

I. DEDICATORIA

El presente trabajo es elaborado por los estudiantes de la Universidad Alas

Peruanas de la carrera profesional de Ingeniería Civil – Lima.

Este Trabajo está dedicado al Ing. Riber Solorzano. En su afán de mejorar la

calidad de los estudiantes universitarios, y por motivarnos cada día en nuestro

desempeño como futuros profesionales.

II. INTRODUCCIÓN

Mediante el presente informe, buscamos llevar a la práctica en un caso real, lo

aprendido en el curso diseño de estructuras en acero, con el fin de afianzar los

conocimientos adquiridos durante el ciclo.

La elaboración del presente trabajo consiste en la estructuración del proyecto de

vivienda multifamiliar que está ubicado en la ciudad del cuzco.

Mediante la aplicación de los métodos de deflexión, flexo compresión, flexión,

compresión y tracción se puede entender muchos aspectos de la teoría, comprendiendo el

funcionamiento de los métodos, su uso correcto y el porqué de la necesidad de

estudiarlos.

En este informe se tomaran como parámetros las cargas muertas, vivas y de viento y

se revisaron en los elementos de columnas, vigas principales y vigas secundarias. De la

misma manera se consideró un diagrama rígido en los entrepisos y techos.

III. OBJETIVOS

a) Hacer un buen diseño de una estructura la cual no colapse ante un sismo y fuerza de

viento.

b) todo diseño estructural debe tener en cuenta todo tipo de parámetros de acuerdo a la

ubicación del proyecto en mención.

c) toda estructura debe ser diseñada sismo resistente, basándose en el reglamento nacional de

edificaciones de la norma E-030.

d) Diseñar un perfil adecuado para diferentes partes de la estructura.

e) Comprender de manera correcta el uso de los métodos aplicados y la interpretación de los

resultados para dilucidar dudas con respecto al diseño de perfiles en acero.

IV. DESCRIPCION DEL PROYECTO Para este trabajo se realizó un análisis de la estructura en perfiles metálicos de

un edificio destinado para multifamiliar, en cuzco, departamento de cuzco. Para

el análisis estructural del edificio, se consideró el viento en la zona y los

requerimientos establecidos por norma E 0.20 en la siguiente imagen se ubica el

proyecto.

EDIFICIO DE 5 PISOS

Uso: VIVIENDA MULTIFAMILIAR

Ubicación: ICA

Área del Lote: 620.33 m2

concreto (f´c): 210/cm2

Sistema estructural: ESTRUCTURAS HECHAS EN ACERO

Para el diseño del proyecto se consideró un sistema de columnas, vigas y losa compuesta. En la

figuras se muestra la distribución de las plantas del edificio a analizar.

Planta del edificio

Plano de elevación

Modelo de la estructura:

La losa de entrepiso aporta rigidez al sistema, esta cumplirá la tarea de transmitir las cargas a las

vigas secundarias quienes a su vez las transmitirán a sus vigas principales correspondientes.

Dichas cargas se transmitirán a las columnas. En este proyecto se obviara el diseño de la

cimentación y se enfocara únicamente al diseño y revisión de los diferentes perfiles que

componen la estructura metálica del edificio para lo cual solo diseñaremos una columna y una

vigas por estas se repiten en toda la estructura. Luego diseñaremos la celosía la cual va en el

último piso de nuestra edificación.

Adicionalmente se ha considerado que todas las paredes trabajaran nada mas como elementos de

cierre y no estructurales. De esta manera el modelo estructural de la edificación constara de un

sistema de vigas soportadas por columnas con y sin los elementos palcas de la losa.

NORMAS EMPLEADAS.

El análisis y el diseño estructural se realizaron conforme se indica en las siguientes normas

técnicas:

Norma E 0.20

Norma E 0.30

Norma E 0.90

Todos del reglamento de edificaciones del capítulo de ESTRUTURAS.

ORGANIZACIÓN DE LA ESTRUTURA

El departamento del CUZCO se encuentra en una zona lluviosa y una zona sísmica y de viento

leves, por lo tanto, toda edificación que se construya debe presentar una estructuración que tenga

un adecuado comportamiento ante lluvias, sismo y viento. Uno podría diseñar una edificación

que resista a un gran sismo pero eso sería antieconómico ya que la probabilidad de que ocurra es

muy difícil.

Por lo tanto, lo que buscamos es una estructura económica, únicamente con los elementos

estructurales indispensables y con las características necesarias para que tengan un buen

comportamiento ante solicitaciones de cargas de sismo, lluvias y viento.

VEMOS ESTE CUADRO DE CLASES DE CARGAS

ELEMENTOS ESTRUTURALES

Algunos de los elementos resistentes de que constan las estructuras en acero son los siguientes:

PLACAS DE ANCLAJE

Las placas de anclaje son elementos estructurales que se emplean para unir los soportes

metálicos a la cimentación y que tienen como objeto hacer que la transición del acero al concreto

se realice sin que en ningún punto se sobrepasen las tensiones admisibles en este material.

La placa de anclaje debe estar sujeta al cimiento mediante unos pernos de anclaje que quedan

embebidos en el concreto, y que al fraguar y endurecer este trabajan por adherencia.

SOPORTES

Los soportes son elementos verticales sometidos principalmente a compresión y a flexión

pequeña o nula. Son los elementos que transmiten las cargas verticales al terreno a través de los

cimientos y las bases.

Para dimensionar un soporte se tendrá en cuenta; el tipo de acero, el tipo de carga que va a

recibir el perfil, la longitud del soporte (por si hubiese pandeo) y la carga axial de compresión.

En las estructuras industriales podemos encontrar las siguientes tipos de soporte o pilares:

Los soportes compuestos se obtienen acoplados perfiles separados enlazados por medio de

elementos transversales discontinuos. Pueden estar unidos mediante presillas o mediante celosía

(red triangular formada por montantes y diagonales).

CORREAS

Las correas son las vigas en que se apoya la chapa u otro tipo de techumbre, por lo que tienen

que soportar su peso, así como el debido a posibles cargas de viento y sismo.

Se encuentran a su vez apoyadas sobre las cerchas o los pórticos, normalmente en un plano

inclinado, lo que hace tender a flectar también en el sentido de la inclinación. Siendo variable su

separación, dependiendo del material de cubierta.

Las correas se calcularan como vigas apoyadas, con carga uniformemente distribuida.

ARRIOSTRAMIENTOS

Tienen la función de transmitir los esfuerzos producidos por el viento frontal sobre el pórtico

extremo a las paredes laterales, que a su vez los transmitirán al suelo.

El arriostramiento básico es la cruz de San Andrés, en forma de aspa, que se coloca entre dos

cerchas o pórticos y pueden abarcar varias correas para evitar ángulos pequeños y repartir bien

los esfuerzos a las barras.

Si las diagonales se diseñan esbeltas, es razonable suponer que no soportaran esfuerzos de

compresión, pues en caso contrario podrían pandear con gran facilidad. Por lo tanto la fuerza

cortante será absorbida íntegramente por la diagonal en tensión, mientras que la diagonal en

compresión se supone que es un elemento que no trabaja, es decir, a todos los efectos es como si

no existiese.

SOLDADURA

La soldadura es la forma más común de conexión del acero estructural y consiste en unir dos

piezas de acero mediante la fusión superficial de las caras a unir en presencia de calor y con o sin

aporte de material agregado. Cuando se trabaja a bajas temperaturas y con aporte de un material

distinto al de las partes que se están uniendo, como por ejemplo el estaño, se habla de soldadura

blanca, que es utilizada en el caso de la hojalatería, pero no tiene aplicación en la confección de

estructuras.

Cuando el material de aporte es el mismo o similar al material de los elementos que se deben

unir conservando la continuidad del material y sus propiedades mecánicas y químicas el calor

debe alcanzar a fundir las caras expuestas a la unión. De esta forma se pueden lograr soldaduras

de mayor resistencia capaces de absorber los esfuerzos que con frecuencia se presentan en los

nudos.

Las ventajas de las conexiones soldadas son lograr una mayor rigidez en las conexiones,

eventuales menores costos por reducción de perforaciones, menor cantidad de acero para

materializarlas logrando una mayor limpieza y acabado en las estructuras.

Sin embargo, tienen algunas limitaciones importantes que se relacionan con la posibilidad real de

ejecutarlas e inspeccionarlas correctamente en obra lo que debe ser evaluado en su momento

(condiciones ergonométricas del trabajo del soldador, condiciones de clima, etc.) Hoy en día, una

tendencia ampliamente recomendada es concentrar las uniones soldadas en trabajos en el taller y

hacer conexión es apernadas en obra.

Las posiciones de soldadura típicas son: plana, vertical, horizontal y sobre cabeza; y expresan

parcialmente las dificultades de la soldadura en terreno

Los tipos de conexiones de perfiles y planchas por soldadura son las siguientes:

TORNILLOS

Los tornillos son conexiones rápidas utilizadas en estructuras de acero livianas, para fijar chapas

o para perfiles conformados de bajo espesor. Las fuerzas que transfieren este tipo de conexiones

son comparativamente bajas, por lo que normalmente se tienen que insertar una cantidad mayor

de tornillos (hay que tener presente que los tornillos deben ser utilizados preferentemente para

unir chapas delgadas). Los tornillos pueden ser autorroscantes o autoperforantes (no necesitan de

perforación guía y se pueden utilizar para metales más pesados). Entre las ventajas de estas

conexiones hay que destacar que son fáciles de transportar, existe una gran variedad de medidas,

largos, diámetros y resistencia; y finalmente, que son fáciles de remover, factor importante para

el montaje y desmontaje de los componentes de la estructura.

DISEÑO DE UNIONES

Un aspecto importante en el diseño de uniones y conexiones es la determinación, que se debe

hacer en la etapa de proyecto de estructura, del tipo de conexión que se diseña: si es rígida o

articulada (flexible). Se llaman conexiones rígidas aquellas que conservan el ángulo de los ejes

entre las barras que se están conectando, en tanto serán articuladas o flexibles, aquellas que

permitan una rotación entre los elementos conectados (aunque en la realidad no existan

conexiones 100% rígidas ni 100% flexibles). Ambas se pueden ejecutar por soldadura o

apernadas, pero será determinante el diseño, el uso de elementos complementarios (ángulos,

barras de conexión, nervaduras de refuerzo.

CELOSIA PREDIMENSIONAMIENTO DE LA CELOSÍAPre diseño de tijerales para un techo metálico a 2 aguas.

DATOSALTURA DEL TIJERAL: 2.00 mLONGITUD DEL TIJERAL: 19.00 mAREA TOTAL

Ancho: 18.93 m Largo: 32.77 m Total: 620.34 m

PRESION DINAMICA: 80 kg/m2

CONSTANTE (C): 1.3

ANGULO DE INCLINACIÓN: 11°

DIMENSIONES NORMALIZADOS DE PLANCHAS GRISES FIBROCEMENTO

LARGO ESTANDAR (Lr): 1.83 m ANCHO ESTANDAR (Ar): 0.92 m

AREA ESTANDAR (Sr): 1.68 m PESO (P): 21.5 mLARGO UTIL (Lmo): 1.69 m ANCHO UTIL (Amo): 0.875 mAREA UTIL (Smo): 1.478 m

1. CALCULO DE LAS FUERZAS SOBRE EL TECHO

DONDE:P tot = Fuerza total

PV = Fuerza de VientoPPL = Fuerza del peso de las planchas corrugadasPSC = Fuerza de sobrecargaPVI

G = Fuerza de peso de las viguetasPTIJ = Fuerza del peso de los tijerales

1.1. CALCULO DE LAS FUERZAS SOBRE EL TECHO

DONDE:W = Carga por unidad de superficieC = Constante que depende de la configuración de la construcciónq = Presión dinámicaα = Angulo de inclinación

Fv = C * q * A *SEN

α *COS

α

Fv =12083.86 kg1.2. CALCULO DE PESO DE LA PLANCHAS CORRUGADAS Ppl NÚMERO TOTAL DE PLANCHAS PARA EL ANCHO TOTAL (Na)Na = Lo / mo = 5.75 = 6 planchasNi = Lt / Amo = 37.45 = 37 planchasNUMERO TOTAL DE PLANCHASN total = Na * Ni = 222 planchasPESO TOTAL DE PLANCHAS (Ppl)Ppl = N total * peso planchas ( P ) = 4773.00 kg1.3. CALCULO DE LA FUERZA DE LA SOBRE CARGA (Psc)

W = C * q * α

Ppl = (40 a 50 kg/m2)* A planta = 24813.44 A 31016.81 kg1.4. CALCULO DE LA FUERZA DE PESO DE LA VIGUETA (P vig) Se asume un perfil 2L 3” x 3” x 3/16”L 1vig = N vig * L1 = 90.64 mL 2vig = N vig * L2 = 86.24 mL 3vig = N vig * L3 = 96.47 mL 4vig = N vig * L4 = 87.12 mL total = 360.47 mPESO POR UNIDAD DE LONGITUD DEL PERFIL

W = 3.71 lb / pie = 5.53 kg / mP vig = 1993.40 kg

1.5. CALCULO DE LA FUERZA DE PESO DE LOS TIJERALES (P tij )N tij = 5 tijeralesLONGITUD TOTAL DE LAS BARRAS POR TIJERALLb = 69.5 mSe asume un perfil 2L 2.5” x 2.5” x 1/4”Peso por unidad de longitud del perfil

W = 4.1 lb / pie = 6.11 kg / mP tij = 2124.45 kg

CALCULO DEL PESO TOTAL DE LA ESTRUCTURA (P tot)

P tot = PV + PPL + PSC + PVIG + PTIJ

P tot = 51991.51 kg

CALCULO DE LOS ESFUERZOS EN LA ESTRUCTURAHallando los esfuerzos laterales del tijeral intermedio y externo

Tijeral intermedio

F = Ptot2∗(Ntij−1) = 6498.94 Kg

Tijeral intermedio

F = 2∗Ptot2∗(Ntij−1) = 12997.88 Kg

Hallando la fuerza sobre los nudos de un Tijeral Tijeral externo

F = Ptot2∗(Nn−1)(Ntij−1) = 541.58 Kg

Tijeral intermedio

F = 2∗Ptot2∗(Nn−1)(Ntij−1) = 1083.16 Kg

Diseño de Tijeral

Viguetas de la Celosía

Diseño de Vigas

Diseño de Columnas

Plancha para columnas

Vigueta para Techo

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1. Es un método exacto

2. No es correcto confiar el diseño completo de una estructura a las herramientas

de apoyo, estas pueden entregar resultados que parezcan correctos pero en la

realidad no cumplen con las especificaciones. Es por tal razón que es importante

realizar una revisión de los elementos de la estructura con algún programa.

3. Los diagramas son importantísimos, es dónde comienza todo en un proyecto, por lo cual debemos de tener en cuenta también las convenciones para nuestros correctos cálculos.

4. Concluimos de este trabajo que es primordial siempre lograr elementos estructurales económicos, que cumplan con los requerimientos de seguridad, funcionalidad y estética. Para ello tenemos que tener un buen análisis y diseño estructural.

5. El uso del acero en la construcción es muy importante ya que proporciona a las estructuras el esfuerzo adicional a la edificación.

6. También tenemos que tener en cuenta la bibliografía y repasar los procedimientos de diseño hechos en clases para un trabajo.

Podría decirse que su única desventaja es que su aplicación está limitada a pórticos

ortogonales y que no incluye los efectos de los acortamientos axiales, que se

hacen cada vez más importante al incrementar el número de pisos a los niveles

corrientes en las torres de nuestros días.

BIBLIOGRAFÍA

1. “Estructuración y Diseño de Edificaciones de Concreto Armado”, Antonio

Blanco Blasco. Libro 2 de la colección del ingeniero civil – Colegio de

Ingenieros del Perú, año 1997.

2. “Apuntes del Curso Concreto Armado 2”, Antonio Blanco Blasco.

Pontificia Universidad Católica del Perú, año 2006.

3. “Diseño de Estructuras de Concreto Armado”, Teodoro Harmsen.

Pontificia Universidad Católica del Perú 3ra Edición, año 2002.

4. “Ingeniería Sismoresistente”, Alejandro Muñoz Peláez.

Pontificia Universidad Católica del Perú, año 2006.

5. “Apuntes del Curso Concreto Armado 1”, Gianfranco OttazziPasino.

Pontificia Universidad Católica del Perú, año 2005.

6. “Análisis de Edificios”, Angel San Bartolomé, año 1999.

7. “Norma Técnica de Edificación E.020 - Cargas”.

Reglamento Nacional de Edificaciones, año 2006.

8. “Norma Técnica de Edificación E.030 - Diseño Sismoresistente”.

Reglamento Nacional de Edificaciones, año 2006.

9. “Norma Técnica de Edificación E.050 - Suelos y Cimentaciones”.

Reglamento Nacional de Edificaciones, año 2006.

10. “Norma Técnica de Edificación E.060 - Concreto Armado”.

Reglamento Nacional de Edificaciones, año 2006.