diseÑo y construccion de estructuras metalicas

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA AMÉRICA (UNITA)

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA METÁLICA PARA EL BAR DE

LA FACULTAD DE MECÁNICA

Proyecto profesional de grado previo a la obtención del Título de Ingeniero Mecánico: Especialidad Mecánica

Industrial

Autor: Wilson Geovanny Castillo Benítez Asesor: Ing. Patricio Riofrío

Quito, Marzo del 2006

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente Proyecto Profesional de Grado titulado “ESTRUCTURA

METÁLICA PARA EL BAR DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA”, es

un trabajo realizado en forma íntegra y detallada por el Egresado de la Facultad de

Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica América, el señor Wilson

Geovanny Castillo Benítez, de acuerdo a mi direccionamiento.

Quito, 17 de Enero de 2006

Ing. Mec. Patricio Riofrío

L:P: 04-17841 CIMEPI

Profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica

Director del Proyecto

DEDICATORIA A mi Padre cuyo ejemplo ha sido su mejor enseñanza. A mi Madre que con su ayuda espiritual me inspiro a seguir a delante. A mi Esposa e Hija por su cariño y apoyo.

AGRADECIMIENTO

A todas las personas que han contribuido a mi formación profesional, y en forma especial al Ing. Patricio Riofrío por su desinteresada

ayuda en la elaboración de este trabajo.

VI

ÍNDICE

CAPÍTULO I

ESTRUCTURAS METÁLICAS

1.1 Introducción……………………………………………………………………...1

1.2 Proceso de Diseño……………………………………………………………. 1

1.2.1 Planeación Funcional………………………………………………………… 2

1.2.2 Arreglo Estructural…………………………………………………………….. 5

Replantillo……………………………………………………………………… 6

Cimentación (Plintos)…………………………………..…………………….. 7

Anclaje de Poste………………………………………………………………. 8

1.2.3 Análisis Estructural……………………………………………………………. 9

1.2.4 Diseño de los Miembros y Elementos…………………………………….. 10

1.3 El Acero Estructural…………………………………………………………. 10

a) Ventajas del Acero Estructural…………………………………………….. 13

b) Desventajas del Acero Estructural………………………………………… 15

1.3.1 Perfiles Estructurales……………………………………………………….. 16

1.3.1.1 Perfiles Laminados en Caliente……………………………………………. 16

VII

1.3.1.2 Perfiles Laminados en Frío…………………………………………………. 18

1.3.1.3 Tipos de Perfiles a Utilizar………………………………………………….. 20

a) Perfil “G”................................................................................................ 21

b) Perfil “L”……………………………………………………………………… 21

c) Perfil “C”……………………………………………………………………… 21

d) Perfil “I”………………………………………………………………………. 22

1.4 Cubiertas……………………………………………………………………... 22

1.4.1 Elementos de una Cubierta………………………………………………… 23

1.4.2 Techos………………………………………………………………………... 25

a) Asbesto – Cemento…………………………………………………………. 25

b) Panel de Acero………………………………………………………………. 26

1.4.3 Estructuras para Cubiertas…………………………………………………. 27

1.4.3 1 Columnas y Armaduras…………………………………………………….. 27

1.4.3.2 Columnas y Vigas…………………………………………………………... 29

a) Columnas…………………………………………………………………….. 29

c) Vigas…………………………………………………………………………. 29

1.4.3.3 Marcos Rígidos……………………………………………………………… 30

1.5 Principales Tipos de Estructuras Utilizadas……………………………… 32

a) Tipo I…………………………………………………………………………. 32

b) Tipo II………………………………………………………………………… 33

c) Tipo III………………………………………………………………………... 34

d) Tipo IV……………………………………………………………………….. 35

VIII

1.6 Análisis de Alternativas…………………………………………………….. 36

a) Alternativa I.......................................................................................... 37

b) Alternativa II…………………………………………………………………. 37

c) Alternativa III………………………………………………………………… 38

1.7 Selección del Tipo de Estructura para el Proyecto……………………… 38

1.7.1 Criterio Económico………………………………………………………….. 40

1.7.2 Criterio Estético……………………………………………………………… 42

1.7.3 Criterio del Cliente…………………………………………………………… 42

CAPÍTULO II

ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA

2.1 Introducción…………………………………………………………………..44

2.2 Análisis y diseño preliminar…………………………………………………45

2.2.1 Cargas sobre la estructura………………………………………………….46

2.2.1.1 Cargas muertas………………………………………………………………46

Peso de la cubierta………………………………………………………….46

IX

Peso del pórtico……………………………………………………………..48

Peso de las correas…………………………………………………………49

Peso de instalaciones………………………………………………………50

2.2.1.2 Cargas vivas…………………………………………………………………51

Carga mínima viva………………………………………………………….51

Cargas de viento……………………………………………………………52

Carga de granizo……………………………………………………………54

Carga de ceniza……………………………………………………………..54

Carga sísmica………………………………………………..……………...55

2.2.2 Cálculo de reacciones, momentos, axiales y cortantes…………… 57

Perfil utilizado……………………………………………………………….. 59

2.2.2.1 Carga muerta vertical uniformemente repartida………………………… 61

Carga muerta –análisis…………………………………………………….. 62

2.2.2.2 Carga viva vertical uniformemente repartida……………………………64

Carga viva – análisis…………………………………………………………65

2.2.2.3 Carga horizontal de viento uniformemente repartida…………………….67

Carga de viento - análisis………………………………………………….68

2.2.2.4 Combinación de cargas……………………………………………………..70

Combinación de cargas – análisis…………………………………………71

2.2.3 Diseño preliminar de la columna y viga……………………………………73

X

2.2.3.1 Columna…………………….………………………………………………..73

2.2.3.2 Viga……….……….………………………………………………………….78

2.3 Análisis y diseño definitivo…………………………………………………..81

2.3.1 Calculo del momento de inercia medio de la viga………………………. 84

2.3.2 Cargas…………………………………………………………………………85

1.3.3 Reacciones, cortantes, axiales y momentos…………………………….87

2.3.3.1 Análisis de cargas vertical del pórtico.

Carga muerta…………………..……………………………………………..88

2.3.3.2 Análisis de cargas vertical del pórtico.

Carga Viva…………………………………………………………………….90

2.3.3.3 Análisis de carga horizontal en la cubierta

Carga de viento ……………………………………………………………...92

2.3.3.4 Análisis de combinación de cargas

Combinación de cargas …………………………………………………….94

2.3.4 Diseño del pórtico……………………………………………………………96

2.3.4.1 Diseño de la columna………………………………………………..………97

2.3.4.2 Longitudes no arriostradas………………………………………….……..98

2.3.4.3 Longitudes efectivas………………………………………………………. 98

2.3.4.4 Esfuerzos permisibles a compresión…………………………………….. 99

XI

2.3.4.5 Esfuerzos permisibles a flexión fb……………………………………...105

2.3.4.6 Diseño a flexión y compresión del patín………………………………...109

2.3.4.7 Esfuerzos permisibles al cortante en el alma fv……………………...113

2.3.5 Diseño de la viga del pórtico……………………………………………...117

2.3.5.1 Longitudes no arriostradas para la viga………………………………...118

2.3.5.2 Esfuerzos permisibles a compresión…………………………………….119

2.3.5.3 Esfuerzo permisible a flexión fb…………………………………………121

2.3.5.4 Diseño a flexión – compresión del patín………………………………..123

2.3.5.5 Esfuerzos permisibles al cortante en el alma fv……………………...126

2.3.6 Diseño de los atiesadores de apoyo…………………………………….129

2.3.7 Diseño de la placa base de las columnas………………………………131

2.3.8 Diseño de largueros……………………………………………………….136

2.3.8.1 Determinación de cargas………………………………………………….137

2.3.9 Uniones soldadas………………………………………………………….140

2.3.9.1 Columna a placa base…………………………………………………….140

2.3.9.2 Unión de la placa a las varillas de anclaje………………………………142

2.3.9.3 Juntas patín – patín……………………………………………………… 145

2.3.9.4 Juntas alma - alma……………………………………………………….147

2.3.9.5 Juntas patín - alma………………………………………………………..148

XII

CAPÍTULO III

FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LAESTRUCTURA

3.1 Introducción……………………………………………………………………151

3.2 Flujo-grama general de la fabricación y montaje de la estructura………152

3.3 Fabricación…………………………………………………………………….154

3.3.1 Trazado………………………………………………………………………...154

3.3.2 Proceso de corte……………………………………………………………..155

3.3.3 Armado…………………………………………………………………………156

3.3.4 Pintura………………………………………………………………………….157

3.4 Montaje…………………………………………………………………………158

Conclusiones……………………………………………………………..……………..160

Recomendaciones…………………………………………………………...…………162

Bibliografía………………………………………………………………………………164

XIII

ÍNDICE DE TABLAS

CAPÍTULO I

Tabla 1.2 Aceros para Propósitos Estructurales………………………………… 12

Tabla 1.2 Normas de Fabricación para Perfiles Estructurales…………………. 12

Tabla 1.3 Costos de Estructuras…………………………………………………… 41

Tabla 1.4 Análisis de Alternativas…………………………………………………. 43

CAPÍTULO II

Tabla 2.1 Total de cargas muertas………………………………………………...51

Tabla 2.2 Total de cargas vivas..…………………………………………………. 56

Tabla 2.3 Valores de x y z …………………………………………………….. 58

Tabla 2.4 Dimensiones y propiedades del perfil………………………………... 59

Tabla 2.5 Valores con carga muerta……………………………………………... 63

Tabla 2.6 Valores con carga viva………………………………………………… 66

Tabla 2.7 Valores con carga de viento…………………………………………... 69

Tabla 2.8 Valores para combinación de cargas………………………………… 72

Tabla 2.9 Dimensiones y propiedades del diseño definitivo………………….. 82

XIV

Tabla 2.10 Dimensiones y propiedades de la viga media sección G – G……...85

Tabla 2.11 Valores con carga muerta…………………………………………….. 89

Tabla 2.12 Valores con carga viva………………………………………………... 91

Tabla 2.13 Valores con carga de viento………………………………………….. 93

Tabla 2.14 Valores para combinación de cargas………………………………. 95

Tabla 2.15 Cargas, dimensiones y propiedades de la columna………………. 97

Tabla 2.16 Cargas, dimensiones y propiedades de la viga………………...… 118

Tabla 2.17 Relación de esbeltez….………………………………………………120

Tabla 2.18 Valores de esfuerzos permisibles a compresión………………… 120

Tabla 2.19 Valores (d/t)…………………………………………………….... 123

Tabla 2.20 Relación fa/fa………………………………………………………. 124

Tabla 2.21 Relación fb/fb……………………………………………………… 125

Tabla 2.22 Usando la relación fa/fa + fb/fb < 1……………………………… 125

Tabla 2.23 Valores de esfuerzos permisibles al cortante fv ………………..127

Tabla 2.24 Valores del cortante promedio fv < fv…………………... 127

Tabla 2.25 fv < fv……………………………………………………………… 128

XV

ÍNDICE DE FIGURAS

CAPÍTULO I

Fig. 1.1 Distribución de Área………………………………………………………… 4

Fig. 1.2 Replantillo…………………………………………………………………….. 6

Fig. 1.3 Cimentación (Plinto)………………………………………………………… 7

Fig. 1.4 Anclaje de Poste…………………………………………………………….. 8

Fig. 1.5 Perfiles Laminados en Caliente…………………………………………... 18

Fig. 1.6 Perfiles Laminados en Frío……………………………………………….. 20

Fig. 1.7 Elementos de Cubierta……………………………………………………. 23

Fig. 1.8 Tipos de Techos (Asbesto - Cemento)………………………………….. 25

Fig. 1.9 Tipos de Techos (Acero Inoxidable)……………………………………... 26

Fig. 1.10 Tipos de Armaduras……………………………………………………….. 28

Fig. 1.11 Tipos de Vigas y Columnas…………………………………………….. 30

Fig. 1.12 Tipos de Marcos Rígidos………………………………………………….. 31

Fig. 1.13 Estructura en Celosía a dos aguas y parabólica……………………….. 33

Fig. 1.14 Estructura en Alma llena a dos aguas y parabólica……………………. 34

Fig. 1.15 Estructura con Perfiles Armados a dos aguas………………………….. 35

Fig. 1.16 Estructura en Celosía con Tubo Estructural Redondo Parabólico…… 35

Fig. 1.17 Estructura de Alma llena de una sola caída…………………………….. 36

Fig. 1.18 Estructura Parabólica con tubo redondo………………………………… 39

Fig. 1.19 Escala de valoración de alternativas……………..……………………… 43

XVI

CAPÍTULO II

Fig. 2.1 Nomenclatura del Pórtico………………………………………………….45

Fig. 2.2 Distribución de secciones………………………………………………….58

Fig. 2.3 Nomenclatura para la sección del pórtico en Prediseño……………….59

Fig. 2.4 Esquema del pórtico mediante el perfil I………………………………...60

Fig. 2.5 Carga Muerta……………………………………………………………….61

Fig. 2.6 Diagrama de Carga Axial………………………………………………… 62

Fig. 2.7 Diagrama de Fuerzas Cortantes…………………………………………. 62

Fig. 2.8 Diagrama de Momentos………………………………………………….. 63

Fig. 2.9 Carga Viva……………………………………...…………………………..64

Fig. 2.10 Diagrama de Carga Axial…………………………………………………65

Fig. 2.11 Diagrama de Fuerzas Cortantes…………………………………………65

Fig. 2.12 Diagrama de Momentos………………………………………………….66

Fig. 2.13 Carga de Viento……………………………………………………………67



Fig. 2.16 Diagrama de Momentos…………………………………………………..69

Fig. 2.17 Combinación de Cargas…………………………………………………..70

Fig. 2.18 Diagrama de Cargas Axiales……………………………………………..71



XVII

Fig. 2.21 Sección para el pórtico……………………………..……………………..83

Fig. 2.22 Dimensiones de la estructura.……………………………………………83

Fig. 2.23 Referencia para el momento de inercia medio de la viga……………..84

Fig. 2.24 Reacción de Carga Muerta……………………………………………….87

Fig. 2.25 Reacción de Carga Viva…………………………………………………..87

Fig. 2.26 Reacción de Carga de Viento…………………………………………….87


Fig. 2.28 Diagrama de Fuerza Cortante……………………………………………88









Fig. 2.37 Diagrama de Esfuerzo Cortante………………………………………….94


Fig. 2.39 Columna metálica………………………………………………………….97

Fig. 2.40 Viga metálica……………………………………………………………...117

Fig. 2.41 Posición y dimensión de los atiesadores………………………………129

Fig. 2.42 Nomenclatura de la placa base…………………………………………131

Fig. 2.43 Esquema del larguero……………………………………………………136

XVIII

Fig. 2.44 Esquema del diagrama de momento para una viga continúa sobre tres

apoyos……………………………………………………………………..138

Fig. 2.45 Ubicación del perfil en la placa base y varillas………………………..144

Fig. 2.46 Esquema de la soldadura de las varillas a la placa base……………144

Fig. 2.47 Esquema de la soldadura de las juntas patín – patín………………..145

Fig. 2.48 Junta alma – alma……………………………………………………….147

Fig. 2.49 Junta patín – alma ……………………………………………………….148

CAPÍTULO III

Fig. 3.1 Junta patín – alma ……………………………………………………….154

1

CAPÍTULO I

ESTRUCTURAS METÁLICAS

1.1 INTRODUCCIÓN

La Universidad Tecnológica América está ubicada en el sector de San Blas en

la calle Oriente 536 y Guayaquil, se requiere la construcción de una estructura

metálica para el bar de la Facultad de Ingeniería Mecánica, el mismo que ya

dispone de un área determinada para el proyecto.

En este capítulo se trata brevemente aspectos básicos para el proyecto.

Se revisarán los pasos a seguir para llegar al diseño satisfactorio, luego se

trata el acero como material estructural, posteriormente los tipos de estructuras

que se usan para este tipo de construcciones y finalmente se decidirá que tipo

de estructura se elige para la construcción.

1.2 PROCESO DE DISEÑO

El proceso de diseño estructural requiere la aplicación del criterio del Ingeniero

para producir un sistema estructural que satisfaga de manera adecuada las

necesidades del propietario o usuario.

2

El diseño es un proceso que parte de una idea y llega a la especificación de la

estructura de manera que logre los propósitos para los que ha sido elaborada.

El proceso de diseño inicia con una planificación funcional para lograr después

un arreglo estructural el cual deberá pasar por un análisis estructural y

culminará con el diseño de los diferentes miembros y elementos.

1.2.1 PLANEACIÓN FUNCIONAL

El propósito que se debe tener en cuenta en la realización de una construcción,

sea ésta, una estructura metálica o de hormigón armado, es la de disponer

correcta y adecuadamente todos los espacios internos y externos de forma que

se aproveche el mayor porcentaje del área disponible para el cumplimiento de

las actividades a la que estará destinada la construcción.

La funcionalidad debe estar enfocada a las actividades ha realizarse por los

clientes para su comodidad y satisfacción. Este aspecto incluye el diseño

estético que va a tener toda infraestructura en su conjunto y parámetros de una

iluminación aceptable y un ambiente confortable.

En el caso del presente proyecto la construcción será destinada al bar, el

mismo que estará situado en el patio posterior de la Facultad de Ingeniería

Mecánica de la Universidad Tecnológica América, en su exterior no está

constituido por paredes, puertas, ventanas y la cubierta; mientras que en el

interior como se trata de un bar se necesita los siguientes espacios: cocina,

3

baño y comedor. Además de los espacios se necesita que tenga un ambiente

confortable para la comodidad y satisfacción del usuario.

El espacio que se tiene es de 36 m2 se dispondrá aproximadamente de

11.60m2 para la cocina que esta ubicado en la parte posterior izquierda del bar,

a su derecha se ubicará un baño esquinero con una área aproximada de

2.85m2 y el comedor es el espacio restante del bar que está ubicado en la parte

frontal que es de 21.55m2 es así que se logra el área total para el bar.

El bar consta de los ambientes: la cocina que está conformado por refrigerador,

cocina, horno, lava platos, mesón, etc; el baño se constituye con el inodoro,

lava manos, etc, y el comedor esta constituido por mesas, sillas, etc.

Para lograr un aspecto confortable para la comodidad y satisfacción del

usuario, el bar constará de una iluminación y ventilación natural, logrando un

confort en su interior. Para obtener una adecuada ventilación natural se

requiere al menos de dos aberturas efectivas, las más comunes son: aberturas

en paredes adyacentes y aberturas en paredes opuestas, para favorecer la

circulación del aire en los ambientes interiores. Y para obtener una iluminación

natural adecuada, depende de las proporciones del espacio interior y del

número, tamaño, ubicación y tipo de aberturas por donde penetra la luz solar

que pueden ser por medio de ventanas en las paredes, techo (claraboyas),

patios, etc. La altura influye en la iluminación y ventilación natural ya que si es

más alto favorece un mejor aprovechamiento de su confort, pero en este caso

como se trata de un bar la altura puede ser de 2.40m que permite la suficiente

4

luz y ventilación para las actividades normales. En la (Fig. Nº 1.1) se presenta

dos alternativas de distribución de área.

6m

6m

6m

6m

Fig. N° 1.1 Distribución de área

5

1.2.2 ARREGLO ESTRUCTURAL

El arreglo estructural tiene como propósito la discusión y el desarrollo de la

ubicación de sus componentes estructurales dependiendo del tipo de

construcción. En este caso, se utiliza los siguientes elementos y

construcciones.

a) Es necesaria una base para la Estructura Metálica para ésto es necesario:

limpieza, nivelación, replanteo, excavación de plintos y cadenas, fundición de

plintos, encofrado y fundición sobrecimientos, encofrado y realización cadena

de cemento. Dejando así listo los anclajes para poder levantar las columnas,

vigas, largueros y el techo.

b) Los elementos de la estructura metálica que deben ser mencionadas

brevemente como puede ser construcciones mixtas, tales como mampostería -

vigas, columnas - vigas, columnas – armaduras, pórticos y todo lo referente a

su diseño estructural. Este aspecto se tratará con más profundidad al final del

capítulo.

En el arreglo estructural se puede elaborar de antemano un presupuesto,

definiendo tipos y características de materiales a utilizar y de la

correspondiente mano de obra especializada, así como también los salarios

estipulados.

6

A continuación se describirá brevemente algunos elementos que intervienen en

la base para la Estructura Metálica.

REPLANTILLO

Es la construcción de la capa de cemento pobre en el fondo de las

excavaciones destinadas a recibir cimientos de concreto.

Antes de iniciar la colocación del hormigón en el plinto, se vaciará sobre el

fondo limpio y nivelado de la excavación una capa de hormigón simple de

50mm, de espesor, cuya superficie debe alcanzar la cota inferior de la

cimentación indicada en los planos. (Fig. Nº 1.2).

Fig . Nº 1.2 Replantillo

Replantillo

7

CIMENTACIÓN (PLINTOS)

Se trabajará la piedra por hiladas, debiendo quedar embebidas en el hormigón,

se continuará este procedimiento alterando las capas de hormigón de 100mm

de espesor y las hiladas de piedra. Se utilizará mortero (cemento – arena)

El plinto tiene las siguientes dimensiones: 400 mm de largo, 400 mm de ancho

y 500 mm de profundidad, el replantillo es de 50 mm, la zapata corrida se

encuentra realizada con malla corrugada de 5.5 mm de diámetro con intervalos

de 150x150 mm. (Fig. Nº 1.3)

Fig. Nº 1.3 Cientación (Plinto)

8

ANCLAJE DE POSTE

Se utilizará la variante de placa soldada que consiste en fijar al plinto cuatro

chicotes donde se funden con los plintos el cual se apoya la columna mediante

soldadura. (Fig. Nº 1.4)

Fig. N° 1.4 Anclaje de Poste

9

1.2.3 ANÁLISIS ESTRUCTURAL

El análisis estructural se basa en el tipo de construcción y en los materiales

usados, siendo necesarios ciertas especificaciones de diseño y reglamentos

de construcción, los mismos que están estandarizados y prescriben

generalmente las cargas y sus magnitudes a las que estará sujeta la

estructura.

En este proyecto como está ubicado en la ciudad de Quito se regirá a las

normas y especificaciones municipales, al Código Ecuatoriano de la

Construcción que establece las cargas y disposiciones básicas para el diseño

de estructuras y al código de la AISC, que establece los esfuerzos permisibles

según las diferentes condiciones de carga y dimensiones de los materiales.

En algunos casos el Ingeniero Mecánico debe tomar decisiones respecto a las

cargas que soporta la estructura y simplificando el análisis estructural para

determinar fuerzas internas que se generan en los miembros que constituye la

estructura.

El análisis Estructural comprende la determinación de las cargas sobre cada

una de los elementos de la estructura: momentos, cortantes y cargas axiales,

pudiendo ser necesario realizar cálculos preliminares basados en dimensiones

y rigideces relativas para posteriormente hacer un análisis que se aproxime a

las dimensiones absolutas de la estructura.

10

1.2.4 DISEÑO DE LOS MIEMBROS Y ELEMENTOS

Este último paso se refiere al dimensionamiento y elección que debe realizar el

Ingeniero Mecánico para cada uno de los miembros que componen el sistema

estructural de forma que soporten las fuerzas internas que se generarían en

ellos según las cargas que se estipularon en el proceso anterior. Estos

miembros deben ser capaces de resistir con un factor de seguridad

conveniente, para esto se debe disponer de datos confiables de los fabricantes

de miembros estructurales y conocer las técnicas más comunes de fabricación.

Las cuatro etapas de diseño que se han descrito casi siempre deben

desarrollarse conjuntamente, ya que, todas tienen su grado de importancia

relativa entre sí. [1]

1.3 EL ACERO ESTRUCTURAL

Los avances de metalurgia y fabricación de aceros de altas resistencia que se

desarrollaron durante el período de 1940 – 1950, pronto encontraron su

aplicación en el acero para el diseño de puentes y edificios, los ingenieros

habían estado en búsqueda de aceros más recientes que pudieran soportar

mayores cargas con pesos reducidos, conforme se acumulaba experiencia y a

(1) GAYLORD, E: Diseño de Estructuras Acero, capítulo I, Pág. 22 y 23.

11

medida que más diseñadores solicitaban el uso de estos aceros más recientes,

se fueron incorporando a las especificaciones de puentes y edificios.

Por muchas características deseables, los aceros estructurales se utilizaban en

gran variedad de aplicaciones, el acero tiene alta resistencia, tiene un módulo

muy alto, de manera que las deformaciones bajo carga son muy pequeñas, y el

módulo es el mismo en tracción que en compresión. Los aceros estructurales

también tienen alta ductilidad, para esfuerzos relativamente grandes tienen una

relación esfuerzo-deformación unitaria de forma lineal o aproximadamente

lineal, por tanto su comportamiento bajo cargas de trabajo puede predecirse

con exactitud mediante la teoría elástica. Todavía más, los aceros estructurales

se fabrican en condiciones sujetas a estrictos controles, de manera que la

calidad uniforme queda asegurada a los compradores.

A pesar de que existen varios tipos y grados de acero para propósitos

estructurales en las tablas 1.1 y 1.2 que se presentan características técnicas

y propiedades mecánicas del acero ASTM A 36 y del acero A 588 el que

fácilmente se consigue en el medio, sea en perfiles laminados en caliente, en

frío o en planchas para el armado de perfiles por medio de soldadura. [2]

(2) GAYLORD, E: Diseño de Estructuras Acero, capítulo II, Pág. 74 a la 84.

12

TABLA 1.1 ACEROS PARA PROPÓSITOS ESTRUCTURALES

DESIGNACION ASTM PRODUCTO USO

Perfiles, placas y Construcciones soldadas, remachadas

A 36 soleras de acero al y atornilladas; puentes, edificios, torres

carbón. y proyectos estructurales generales.

A 588 Perfiles, placas y Enfocado principalmente para puentes y

soleras de acero edificios soldados; resistencia a la corro-

de alta resistencia sión atmosférica de cuatro veces la del

y baja aleación acero al carbón, un acero intemperizado

Fuente: Gaylord Edwin H. Diseño de Estructuras de Acero. Pág. 75

TABLA 1.2 NORMAS DE FABRICACIÓN PARA PERFILES

ESTRUCTURALES

TIPO NORMA DE Fy Fu OBSERVACIONES

FABRICACION (min)

k.s.i k.s.i

(Kg/cm2) (Kg/cm2)

Láminas y tiras de acero al

Perfiles y ASTM A36 36 58 carbón laminado en

placas (2532) (4086) caliente, de calidad

estructural.

Láminas y tiras de acero al

Placas y ASTM A588 36 58 carbón laminado en

perfiles 4” (3520) (4920) caliente, de calidad

5” (3230) (4710) estructural.

hasta 8” (2950) (4430)

Fuente: Parker Harry, Cálculo de estructuras de acero, Ediciones Urmo, Pág. 3

A continuación se trata brevemente las ventajas y desventajas del acero

estructural

13

a) VENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL

Alta resistencia. La alta resistencia del acero, por unidad de peso, significa

que las cargas muertas serán menores. Este hecho es de mucha importancia

en puentes, estructuras de grandes luces, edificio elevados, y en estructuras

cimentadas en condiciones precarias.

Uniformidad. Las propiedades de acero no cambian apreciablemente con el

tiempo, como sucede con las de concreto reforzado.

Elasticidad. El acero está más cerca de la hipótesis de diseño que la mayoría

de los materiales, porque sigue la ley de HOOKE hasta esfuerzos relativamente

altos.

Durabilidad. Las estructuras de acero con un mantenimiento adecuado

pueden durar indefinidamente.

La investigación en algunas estructuras de acero establece, que bajo ciertas

condiciones requieren pintura para su mantenimiento.

Ductilidad. La propiedad del material que permite soportar deformaciones

generales sin fallar, bajo esfuerzos de tensión elevados, se conoce como

ductilidad.

14

Cuando un miembro de acero dulce se somete a la prueba de tensión, ocurrirá

una reducción considerable en su área transversal y un fuerte alargamiento, en

lugar de la falla, antes de que la fractura real ocurra.

Un material que no tenga esta propiedad es probablemente duro y quebradizo,

posiblemente se rompa si recibe un choque súbito.

Aplicación de estructura existente. Las estructuras de acero se presentan

con fines de aplicación, tramos nuevos y en muchas ocasiones pueden

añadirse a las estructuras de acero ya existentes, y los puentes de acero a

menudo pueden ampliarse.

Soldabilidad. Es la propiedad del acero para soldarse sin que cambien sus

propiedades mecánicas básicas. En general la soldabilidad decrece con la

mayor cantidad de carbono y el manganeso.

Algunas otras ventajas de acero estructural son:

Adaptación a prefabricación.

Rapidez de montaje.

Tenacidad y resistencia a la fatiga.

15

b) DESVENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL

En general, el acero tiene las siguientes desventajas:

Costo de mantenimiento. La mayoría de los aceros se corroen cuando están

expuestos libremente al aire y deben pintarse periódicamente.

Costo de protección contra incendio. La resistencia del acero estructural se

reduce notablemente a las temperaturas que se alcanzan durante los

incendios. La estructura de acero de un edificio debe estar a prueba de

incendio a fin de asegurarla con primas bajas. Debe recordarse, sin embargo,

que el acero es incombustible.

Susceptibilidad al pandeo. A medida que los miembros sujetos a compresión

son más largos y delgados, mayor es el peligro de pandeo. Como se indicó

previamente, el acero tiene alta resistencia por unidad de peso, y cuando se

usa para columnas de acero no siempre resulta económico, porque debe

utilizarse una considerable cantidad de material tan sólo para reforzar las

columnas y evitar su pandeo. [3]

(3) McCORMAC, J: Diseño de Estructuras Metálicas, capítulo I, Pág. 1 al 3.

16

1.3.1 PERFILES ESTRUCTURALES

Los perfiles de acero como material estructural son de una gran importancia

para el diseñador y constructor de estructuras metálicas. Estos perfiles de

acero se pueden encontrar en el mercado de una diversidad de tipos, pero se

pueden clasificar en general en dos clases: perfiles laminados en caliente y

conformado en frío. [4]

1.3.1.1 PERFILES LAMINADOS EN CALIENTE

El Instituto Americano de la Construcción, AISC, publica periódicamente el

Manual de la Construcción en Acero, el cual contiene la “Especificaciones para

el Diseño, Fabricación y Construcción de Edificios en Acero”, y una recopilación

técnica de los productos para la construcción en acero (perfiles, tubos,

conectores, sueldas), que producen la principales fábricas americanas

productora de acero estructural.

Las fábricas de aceros producen perfiles de sección tipo “I”, denominados (W,

S, y HP). Los perfiles “W” son de patines anchos y superficies paralelas,

utilizados para vigas.

(4) VASQUEZ, J: Estructuras de Acero, capítulo I, Pág. 4 al 7.

17

Los perfiles “S”, vigas standard americanas, tienen la superficie interna del

patín con una inclinación del 16%. Los perfiles “HP”, pilotes de carga, tienen

patines de superficies paralelas y espesores iguales del alma y los patines.

Otros tipo de perfiles que se producen son lo canales “C”, lo angulares “L”, de

lados iguales y lados desiguales, perfiles “Z”, y lo tipos de sección circular,

cuadrada y rectangular. Existen además perfiles “M”, (tipo I), que no pueden

ser calificados como “W”, “S” o “HP”, así como perfiles “MC”, (tipo C), que no

son los canales estándar americanos.

La nomenclatura usada para la designación de los perfiles laminados en

caliente consiste de una letra para identificar tipo , seguida por dos o más

números que identifican las dimensiones nominales de peralte, ancho, espesor,

o peso.

Cada perfil de las tablas AISC, tiene listado sus “Propiedades de Diseño” (área

transversal, espesor de patines y alma, inercias, etc.) considerando los

chaflanes más pequeños, y las dimensiones de los detalles basadas en los

chaflanes más grandes con relación a los chaflanes que utilizan las diferentes

fábricas en la producción de los perfiles de acero.

El ingeniero debe disponer de un manual actualizado de perfiles AISC o similar,

pues normalmente para obras de gran envergadura, los perfiles de acero se

importan, o debe realizar consultas sobre que perfiles se comercializan

localmente y establecer si estos satisfacen el requisito de la obra.

18

Los perfiles que se encuentran en nuestro país son los IPN, UPN.

Fig. Nº 1.5 Perfiles Laminados en Caliente


1.3.1.2 PERFILES LAMINADOS EN FRÍO

Para la producción de perfiles laminados en frío se puede disponer de planchas

y láminas de acero moldeable y en varias resistencias. Se produce perfiles para

uso en estructuras sometidas a cargas ligeras con luces medianas y grandes,

como pórticos, cubiertas de coliseos, piscinas, hangares, fábrica y talleres.

19

El Instituto Americano del Hierro y Acero, AISI, desde 1939 ha desarrollado

procedimientos y datos para el diseño estructural con aceros de calibre ligero y

perfiles de lámina delgada formado en frío, utilizando plancha de acero de baja

aleación de carbono y no mayor de una pulgada de espesor. Estos perfiles

cumplen con los principios clásicos de la mecánica estructural y los que se

aplican a perfiles y placas de acero estructural laminados en caliente, pero se

deben tener muy en cuenta la distorsión de la sección por pandeo o alabeo, la

resistencia de post-pandeo y otros efectos similares. Se los utilizará para

soportar carga en estructuras con una apropiada estabilidad para efectos

dinámicos.

Los perfiles de acero formado en frío que se producen en rodillos o dobladoras

a partir de las chapas de acero, son estandarizados, (a diferencia de los

perfiles laminados en caliente), más aún, el calculista puede utilizar formas

especiales en sus diseños. Los canales, (secciones U y G), lo ángulos y las

secciones “Z”, se laminan en una sola operación a partir de una pieza del

material. Las secciones “I”, se obtienen soldando dos canales espalda a

espalda, o soldando dos angulares a un canal. Todas las secciones se pueden

rigidizar mediante patines planos o rebordes en las orillas exteriores.

Para la denominación de estos perfiles se utiliza una letra para identificar el tipo

de perfil, seguida por números para señalar sus dimensiones que normalmente

se dan en milímetros.

En el país se producen perfiles formados en frío que varían de 5 a 30cm de

peralte, pueden soportar cargas considerables y se usan como miembros

20

estructurales principales en edificios de hasta seis pisos, y en cerchas de

cubiertas o puntes.

Fig. Nº 1.6 Perfiles Laminados en Frío.


1.3.1.3 TIPOS DE PERFILES A UTILIZAR

Existen varias formas de perfiles que se pueden utilizar para una estructura

metálica. Pero citaremos los que normalmente existen en el mercado nacional

y sea conveniente para el proyecto.

21

a) PERFIL “G”

Son perfiles utilizados para la elaboración de vigas y columnas compuestas y

se utiliza también para largueros en la parte superior de la cubierta ya que su

forma facilita realizar el anclaje de techos como es el aluminio, galvanizado,

asbesto y plástico, que se encuentra en el mercado, conformado en frío desde

60x30x15x2 mm hasta 200x50x15x4 mm de espesor.

b) PERFIL “L”

Estos perfiles angulares son de dos tipos: lados iguales y lados desiguales que

son utilizados en vigas y columnas mediante cordones de soldadura, remaches

y pernos, que se encuentra en el mercado, laminado en caliente desde

20x20x2 mm hasta 50x50x4 mm de espesor.

c) PERFIL “C”

Son perfiles de canal utilizados para la elaboración de vigas y columnas tanto

en celosías y secciones compuestas.

Este tipo de perfiles se encuentra de dos tipos: laminado en caliente y

conformado en frío desde 60x30x2 mm hasta 200x50x4 mm de espesor.

22

d) PERFIL “I”

Estos perfiles existen en gran variedad de dimensiones estandarizadas que son

utilizados para vigas y columnas en la construcción de edificios, puentes, etc.

Este tipo de perfil tiene limitación de su uso pues su costo es elevado al ser

importado, de existir la necesidad se los puede armar mediante placas y

soldadura, también se podrá formar un “I” con perfiles C, G, a través de

soldadura.

1.4 CUBIERTAS

Se llama cubierta a la superficie entramada que cierra un edificio por su parte

superior proporcionando a éste un adecuado aislamiento térmico y

protegiéndole de los elementos climatológicos exteriores.

Las cubiertas pueden ser simples si están compuestas por elementos

sustentantes de una sola clase. Se llaman compuestas cuando los elementos

planos no son por sí solos resistentes a la sustentación, siendo, por tanto,

necesario el empleo de cerchas. Este tipo de cubiertas pueden ser fácilmente

elaboradas por la gran diversidad de materiales que disponemos en el

23

mercado, así como la ventaja de poder ser armados sus miembros ya sea

mediante soldadura, remaches o pernos.

La función de una cubierta es la de cubrir un espacio con el menor número de

soportes intermedios y a la vez evacuar correctamente las aguas de lluvia,

según sean sus pendientes, así como suministrar a través de sus cristales la

iluminación de la nave.

1.4.1 ELEMENTOS DE UNA CUBIERTA

Los elementos que componen una cubierta metálica son conocidos en el

campo industrial. En la Fig. Nº 1.7 muestra los componentes de una cubierta.

Fig. N° 1.7 Elementos de Cubierta.

24

Los elementos que componen una estructura metálica son conocidos en el

campo industrial con algunos sinónimos que dependen del tipo de estructura.

En el punto 3, 7, 5, 4 y 6 son los miembros que componen la estructura

principal, cubriendo el claro para soportar las cargas muertas y vivas.

En el punto 2 son miembros que trasmiten las cargas de la cubierta a la

estructura principal y trabajan a flexión.

El punto 1 es el que cubre toda la estructura.

El punto 8 son miembros de rigidez que soportan las cargas de viento.

[5]

(5) FERNÁNDEZ, D: Estructuras Metálicas, tomo V, Pág. 17.

25

1.4.2 TECHOS

a) ASBESTO-CEMENTO

En el caso de los productos de asbesto-cemento, el asbesto es una materia

prima minoritaria (aprox. 10%), y está catalogada como “material cautivo”, pues

las fibras están aprisionadas dentro del cemento, y no se desprenden durante

su manejo normal, aplicación y servicio. En la Fig. Nº 1.8 se detallan los techos

más usados en el mercado nacional. [6]

Fig. N° 1.8 Tipos de Techos (Asbesto-Cemento)

(6) ETERNIT: Catálogo General.

26

b) PANEL DE ACERO

Panel de acero protegido con aluminio, lo cual dá larga vida a su techo. El

aluminio refracta los rayos solares haciendo que el ambiente debajo del techo

sea más fresco.

Este tipo de techo es resistente para cualquier tipo de clima, no se quiebra, no

se oxida, no se adhieren hongos, es muy liviano, por tanto es muy fácil de

transportar e instalar. El panel tiene una costura mecánica que logra cubiertas

100% herméticas aún para pendientes mínimas del 2%; producido en medidas

estándar. En la Fig. Nº 1.9 se detallan los techos más usados en el mercado

nacional. [7]

Fig. N° 1.9 Tipos de Techos (Acero Inoxidable)

(7) KUBIEC: Catálogo General.

27

1.4.3 ESTRUCTURAS PARA CUBIERTAS

Las estructuras para cubiertas se pueden clasificar en algunos grupos:

columnas - armaduras, columnas - vigas, marcos rígidos, estas se analizarán a

fin de relacionar con las condiciones que se dispone en el proyecto.

1.4.3 1 COLUMNAS Y ARMADURAS

Las armaduras se pueden definir como vigas grandes, de gran peralte y de

alma abierta. Se trata de una estructura triangulada que recibe el peso de las

correas y los trasmite a los soportes o a los muros. La armadura puede adoptar

dos formas:

Cubierta a dos aguas formadas por cerchas simétricas dispuestas según

planos paralelos y enlazados por las correas que soportan los faldones.

Cubierta parabólica en celosía de sección uniforme así como de sección

variable.

Existen un sin número de cerchas que se pueden utilizar en la construcción de

cubiertas. Algunas de estas armaduras y columnas se presentan en la

28

Fig. Nº 1.10 ya que son apropiadas para salvar pequeñas, medianas y grandes

luces en sección uniforme así como de sección variable. [8]

Fig. N° 1.10 Tipos de Armaduras.

Fuente: Parker Harry, Cálculo de Estructuras de Acero, Edición Urmo, Pag. 67

El grupo de columnas se detallaran en la figura Nº 1.11 donde se muestran los

tipos más comunes que se expondrá en el grupo de vigas.

(8) PARKER, H: Cálculo de Estructuras de Acero, capítulo II, Pág. 67.

29

1.4.3.2 COLUMNAS Y VIGAS

Es el conjunto monolítico de los elementos fundamentales de una construcción,

ordenados normalmente paralelo a la fachada, y cuyos elementos principales

son las columnas y las vigas. [9]

a) COLUMNAS

Son los elementos verticales de las estructuras, los cuales soportan las cargas

de toda la construcción, vigas, muros y forjados. Según estén formados por uno

o varios perfiles, se les denomina simples o compuestos.

c) VIGAS

Son estructuras trianguladas que tienen paralelos sus cordones y apoyan en

sus extremos.

Existen vigas que se fabrican en taller o en obra, éstas son menos utilizadas,

pues los perfiles existentes hoy en el mercado simplifican su uso.

(9) FERNÁNDEZ, D: Estructuras Metálicas, tomo V, Pág. 11.

30

Según la disposición de sus montantes y diagonales reciben nombres

diferentes. He aquí se detallan en la Fig. Nº 1.11 las más usuales.

Fig. N° 1.11 Tipos de Vigas y Columnas.

Fuente: Fernández, D. Estructuras Metálicas, Ediciones Daly, Pág. 10 y 11

1.4.3.3 MARCOS RÍGIDOS

El marco rígido es una estructura con juntas resistentes a momentos. En las

juntas los miembros están rígidamente conectados entre sí, para impedir la

rotación relativa de ellos cuando se aplica cargas. Ventajas de estos marcos

son: economía, apariencia y ahorro en la altura libre. Desempeñan los mismos

trabajos que las columnas de acero y las armaduras pueden llevar a cabo, sin

ocupar tanto espacio. Los marcos rígidos han probado ser muy satisfactorios

31

para iglesias, auditorio, casas de campo, arsenales, coliseos y otras estructuras

que requieren grandes áreas sin obstrucciones. [10]

En la Fig. Nº 1.12 se muestra un arco parabólico. El área que debe encerrar, se

considera rectangular, como se presenta en (a) con línea interrumpida. En la

parte (b) el arco se dobla de manera que incluye precisamente el diagrama de

espacio libre. Situación similar que se grafica en las partes (c) y (d).

Fig. N° 1.12 Tipos de Marcos Rígidos.

Fuente: J. McCormac, Diseño de Estructuras Metálicas, 1° Edición, Pág. 651

Este tipo de marcos pueden ser a dos aguas o parabólicas, en alma llena de

sección uniforme así como de sección variable.

(10) McCORMAC, J: Diseño de Estructuras Metálicas, capítulo 19, Pág. 650.

32

1.5 PRINCIPALES TIPOS DE ESTRUCTURAS UTILIZADAS

Los tipos de estructuras que generalmente se diseñan están de acuerdo a las

necesidades y preferencias del contratante en el mercado nacional.

a) TIPO I

Este tipo de estructura en celosías a dos aguas y parabólica esta formado por

columnas y vigas cuyas secciones integran por dos perfiles “C” en sus

miembros principales y perfiles “L” en los miembros secundarios. Los

elementos se hallan ligados mediante cordones de soldadura, también se

utiliza un sistema de empernado en las columnas para su anclaje a la

cimentación y para la cubierta largueros de perfil”G”. La estructura se presenta

en la Fig. Nº 1.13.

Existen dos formas para disponer las correas que forman la cuerda superior y

la cuerda inferior, estas son:

1. Mediante celosías formadas por varillas de acero y perfiles de acero

estructural.

2. Mediante un perfil conformado en frío (L)

La altura de las columnas suelen ser de cuatro metros y el ángulo de

inclinación de las vigas oscilan entre los 15 y 20 grados para cubierta, en

33

general este tipo de estructura se emplea en naves de uso múltiples para

cubrir, medianas y grandes luces.

Fig. N°. 1.13 Estructura en Celosía a dos aguas y parabólica.

b) TIPO II

Este tipo de estructuras de alma llena a dos aguas y parabólica con juntas

resistentes a momentos, desempeñan los mismos trabajos que las columnas

de acero sin ocupar tanto espacio. Los marcos rígidos han probado ser muy

satisfactorios para iglesias, auditorios, casas de campo, arsenales y otras

estructuras que requieren grandes áreas sin obstrucciones también se utiliza

un sistema de empernado en las columnas para su anclaje en la cimentación y

para la cubierta largueros tipo “I”. La estructura se presenta en la Fig. Nº 1.14.

Estos marcos rígidos generalmente para claros de 7 a 60m o más.

Dependiendo de las cargas, tipo de construcción, la separación de centro a

centro de marco es entre 4 a 10m.

34

Fig. N° 1.14 Estructura el Alma llena a dos aguas y parabólica.

c) TIPO III

Este tipo de estructura es empleada para cubrir pequeñas áreas, los elementos

de las vigas y columnas están formados por perfiles “G”, estos elementos están

armados o compuestos, mediante cordones de soldadura, se utiliza también un

sistema de empernado en las columnas para su anclaje en la cimentación y

para la cubierta largueros de perfil “G”. La estructura se presenta en la Fig. Nº

1.15.

La altura de las columnas suelen ser de tres metros y el ángulo de inclinación

de las vigas oscilan entre los 15 a 20 grados para cubierta, en general este tipo

de estructuras se puede emplear para cubrir pequeñas y medianas luces como

bares, aulas, casas comunales, galpones, casas, etc.

35

Fig. N° 1.15 Estructura con perfiles armados a dos aguas.

d) TIPO IV

Este tipo de estructuras son estéticas para pequeña, medianas y grande luces.

De la Fig. Nº 1.16 los elementos principales viga y columnas están formados

por tubería estructural redonda.

Fig. N° 1.16 Estructura con tubos Estructural redondo parabólico.

36

De la Fig. Nº 1.17 los elementos principales de la viga están formados por

placas armadas con soldadura y las columnas están armadas con correas “G”

Fig. N° 1.17 Estructura de alma llena de una sola caída.

1.6 ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS

Se ha revisado todo tipo de estructuras comunes en el mercado nacional como

las secciones para su construcción, las funciones que desempeñan, tipo de

materiales, etc, las cuales deben ajustarse a las necesidades del cliente.

Se realizará el análisis de los tipos de estructuras, como referencia a las

citadas anteriormente.

37

Todos los tipos de estructuras antes mencionados son aceptables para el

proyecto ya que las condiciones de servicio son viables, siempre y cuando la

construcción tenga una adecuada altura en sus columnas y vigas.

Este tipo de estructuras se acopla a las condiciones que tiene el lugar

destinado para la Facultad de Ingeniería Mecánica.

Las estructuras a dos aguas y parabólicas son livianas, económicas y seguras,

su estructura permite que sea funcional para las actividades que se van a

desarrollar en el lugar.

a) ALTERNATIVA I

Las estructuras tipo I y II por su configuración son aceptables ya que estas

estructuras son dedicadas para cubrir grandes y pequeñas luces como

coliseos, galpones, piscinas, casas y otros.

b) ALTERNATIVA II

La estructura tipo III por su configuración es aceptable para el proyecto ya que

es liviana, segura y económica, permitiendo su funcionalidad para actividades a

desarrollar.

38

Esta estructura es una alternativa aceptable pero es muy común en la

construcción de pequeñas luces.

c) ALTERNATIVA III

Las estructuras Tipo IV ilustradas anteriormente reúnen características ideales

que se ajustan a la necesidad del proyecto por lo estético ya que no merita

mayores cargas y son seguras, livianas, económicas, etc.

Razón por la cual este tipo de estructuras es una solución para la necesidad

del proyecto.

1.7 SELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA PARA EL PROYCTO

Para la selección de la estructura disponemos según los espacios disponibles

ideales que se ajustan a la necesidad del proyecto, identifica tres tipos de

estructuras metálicas como posibles opciones para el proyecto.

A continuación se observara las estructuras en las figuras ( Fig. Nº 1.18, Fig.

Nº 1.16 y Fig. 1.14)

39

El tipo de estructura para construir se selecciona con criterios importantes

como: el económico, estético y la preferencia del cliente.

Fig. N° 1.18 Estructura parabólica con tubo redondo.

Fig. N° 1.16 Estructura parabólica en celosía con tubo redondo (b).

40

Fig. N° 1.14 Estructura de alma llena a dos aguas.

1.7.1 CRITERIO ECONÓMICO

Los materiales a utilizar para las distintas estructuras se encuentran disponibles

en su totalidad en el mercado nacional, para satisfacer la necesidad y

requerimiento del cliente.

Las estructuras de las figuras (Fig. Nº 1.18, Fig. Nº 1.16 y Fig. Nº 1.14) son

estructuras sometidas solo a esfuerzos de compresión y pequeños esfuerzos

de flexión.

41

Las estructuras de celosía son más ligeras que las de alma llena por su tiempo

y construcción por lo tanto es más barato construir con tubería estructural

redonda.

Las estructuras armadas con placas tienen un mayor costo con relación a los

de tubería estructural redonda ya que se requiere de mano de obra adicional

para el armado.

A continuación se presenta un cuadro comparativo de la tabla 1.3 del costo de

los diferentes tipos de estructuras previo al diseño.

TABLA 1.3 COSTO DE ESTRUCTURAS

COSTO

TIPO DE ESTRUCTURAS TOTAL

USD

1. Estructura Parabólica de Tubo Redondo con Domos 2160,00

2. Estructura Parabólica en Celosía de Tubo con Eternit 1930,00

3. Estructura de Alma Llena de dos caída con Panel Metálico 2067,00

Los valores que se indica en la tabla 1.3 son costos estimados de materiales,

mano de obra, equipo y herramientas, pero no se ha considerado el valor de

diseño, ya que, se requiere de un mayor análisis de una estructura de alma

llena a una estructura de tubería estructural redonda por lo cual varían los

precios pero tratándose del proyecto profesional de grado este costo no

aumenta el valor total.

42

1.7.2 CRITERIO ESTÉTICO

En este caso para el criterio estético constructivo se están utilizando las

estructuras metálicas, aumentando el gusto por las formas adaptadas al

material y a su diseño estructural para bar restaurante, bar cafetería, casas

unifamiliares y otras construcciones de servicio.

Para este caso es importante armonizar con el espacio interior y exterior que

es óptimo para este tipo de construcciones, sin obstruir el espacio requerido

que es de gran importancia.

1.7.3 CRITERIO DEL CLIENTE

El cliente es la parte más importante para la ejecución de la obra, mientras

tanto que el ingeniero mecánico como diseñador, tiene la necesidad de

acogerse de las exigencias y preferencias del cliente, satisfaciendo así todos

sus aspectos preferidos para incentivarle que realice la obra.

El cliente sugiere que se realice una estructura metálica de placas armadas de

dos caídas, porque se ajusta a las necesidades y condiciones que tiene el

lugar.

43

A continuación se presenta una escala de valoración para calificar las

alternativas (Fig. N°.18) y un cuadro comparativo de la tabla 1.4 del análisis de

alternativas.

ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS

0

2

4

6

8

10

12

EST. PARABÓLICA DE

TUBO REDONDO

EST. PARABÓLICA EN

CELOSÍA DE TUBO

EST. DE ALAMA LLENA

ECONÓMICO

ESTÉTICO

FUNCIONAL

CLIENTE

Fig. N° 1.19 Escala de valoración de alternativas.

TABLA 1.4 ANALISIS DE ALTERNATIVAS

ALTERNATIVA EST. PARABÓLICA EST. PARABÓLICA EST. DE ALMA

CRITERIO DE TUBO REDONDO EN CELOSÍA DE TUBO LLENA

ECONÓMICO 9 9 9

ESTÉTICO 8 7 10

FUNCIONAL 9 9 10

CLIENTE 8 8 10

TOTAL 34 33 39

44

CAPÍTULO II

ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA

2.1 INTRODUCCIÓN

Primero se realizará un diseño y análisis previo o preliminar, en el que se

asumen dimensiones iniciales, la rigidez, las resistencias relativas entre los

miembros y se simplifica el análisis para llegar posteriormente al diseño

definitivo a través de iteraciones de aproximación.

Luego del análisis y diseño previo se definen las dimensiones y geometría

exactas del pórtico a construir, información que se recoge en los planos

respectivos. Se revisan las cargas que soporta la estructura por la variación de

las secciones asumidas inicialmente para el pórtico, determinando así los

esfuerzos según las condiciones respectivas para el diseño de todos sus

elementos individuales y finalmente se diseñará los largueros, placas bases y

uniones soldadas.

Para el análisis y diseño tanto preliminar como definitivo se usa el Código

Ecuatoriano de la Construcción, el Manual de la AISC y el programa Sap 2000

que sirve para determinar las reacciones y cargas del pórtico.

45

2.2 ANÁLISIS Y DISEÑO PRELIMINAR

La geometría y las dimensiones básicas para la estructura a construir se

presentan en la figura Nº 2.1. La estructura elegida corresponde al pórtico a dos

aguas sobre dos columnas articuladas en sus bases.

Fig. N° 2.1 Nomenclatura del Pórtico

Donde:

L = Luz del pórtico = 6 m

H = Altura total del pórtico = 3,50 m

h = Altura de la columna = 2,60 m

q = Longitud de la viga inclinada = 3,13 m

f = Altura de la cubierta = 0,90 m

S = Longitud de toda la viga (2xq) = 6,26 m

T = Longitud del pórtico (S+2xh) = 11,46 m

d = Separación entre pórticos = 3 m

t’ = Longitud de la cubierta (2q+2x0.5m) = 7,26 m

46

2.2.1 CARGAS SOBRE LA ESTRUCTURA

Se estiman las cargas tanto muertas como vivas que actúan sobre la cubierta a

dos aguas para el Bar de la Universidad Tecnológica América de la Facultad de

Ingeniería Mecánica.

2.2.1.1 CARGAS MUERTAS

PESO DE LA CUBIERTA

El peso de la cubierta se estima en 4,8 2m

Kgf que corresponde a una cubierta de

plancha de Galvalumen tipo Kubimil de 0,4 mm. Este valor proporciona el

fabricante KUBIEC.

Para el diseño se tienen las siguientes cargas:

La carga W es el peso total de la cubierta se determina con la siguiente

fórmula.

dtpW ' Ecuación (2.1)

47

Donde:

W = carga total

p = peso estimado

t’ = longitud de la cubierta

d = separación entre pórticos

mmm

kgfW 326,78,4

2

KgfW 5,104

La carga correspondiente W vertical uniformemente repartida sobre la luz del

pórtico se determina como:

L

Ww

m

Kgfw

6

5,104

m

kgfw 4,17

De forma similar se calcula el resto de las cargas muertas y los resultados se

presentan en la Tabla 2.1

48

PESO DEL PÓRTICO

Para el diseño del pórtico se estima una sección I conformada mediante

planchas laminadas en caliente de Acero ASTM A36. Las dimensiones de sus

miembros son:

PERFIL TIPO I

Mediante planchas laminadas ASTM A-36 laminados en caliente.

Las dimensiones de los miembros son:

Patín: Ancho (b) = 12 cm ; espesor (t) = 0,4 cm

Alma: Ancho (h) = 20 cm ; espesor (t) = 0,4 cm

Las áreas del pórtico resultan:

Patín = 2 (0,12 m X 0,004 m) = 9,6x10-4 m2

Alma = 0,20 m X 0,004 m = 8x10-4 m2

Total del área del pórtico es = 17,6x10-4 m2

Peso del pórtico por metro = 17,6x10-4 m2 x 7880 3m

Kgf = 13,87

m

Kgf

Patín = 2 (0.12 m X 11.46 m) = 2,7504 m2

Alma = 0.20 m X 11.46 m = 2,292 m2

49

Patín de 4mm de espesor es 31,402m

Kgf = 2,7504 m2 x31,40

2m

Kgf = 86,36 Kgf

Alma de 4mm de espesor es 31,402m

Kgf = 2,292 m2 x31,40

2m

Kgf = 71,96 Kgf

Total del pórtico entre el patín y el alma es de 158,32 Kgf.

Este valor se incrementa un 15 % por cargas de arriostramiento, soldadura y

apoyos, entonces queda con un valor de 182,00 Kgf

PESO DE LAS CORREAS

Inicialmente se considera un perfil G 80 x 40 x 15 x 3, separadas una de otra a

una distancia de 1,20 m, con esto se calcula la cantidad y peso total. Los

valores son proporcionados por el fabricante.

Donde:

Longitud de la viga = 6,50 m

Separación de la correas = 1,20 m

Cantidad / Unitaria = 9 unidades

Peso de la correas = 4,01 m

Kgf

Distancia entre pórticos = 3 m

50

Total peso de la correas = (C/U) x (d) x (peso correa)

= (9) x (3 m) x (4,01 m

Kgf)

= 108,3 Kgf

PESO DE INSTALACIONES

Se estima que por posibles instalaciones que se realizan sobre el pórtico tiene

una carga de 5 2m

Kgf.

Donde:

Longitud de la viga = 6,26 m

Separación entre pórtico = 3 m

Peso de instalación = 5 Kgf/m2

Total peso de instalaciones = 6,26 m x 3 m x 5 2m

Kgf

= 93,9 Kgf.

51

TABLA 2.1 TOTAL DE CARGAS MUERTA

CARGAS MUERTAS

CARGAS

PESO

m

Kgf

PESO

Kgf

Cubierta 17,4 104,5

Pórtico 30,3 182,0

Correas 18,1 108,3

Instalaciones 15,7 93,9

Total 81,5 488,7

2.2.1.2 CARGAS VIVAS

CARGA MÍNIMA VIVA

De acuerdo al Código Ecuatoriano de la Construcción (C.E.C.), específica que

se utilizará para el cálculo de cubiertas una carga mínima de 70 2m

Kgf, este valor

resulta igual que las cargas de granizo y ceniza como se observará más

adelante.

Total carga mínima viva = 70 2m

Kgf x (d) x (L)

= 70 2m

Kgf x (3m) x (6m)

= 1260 kgf

52

CARGAS DE VIENTO

Según datos actuales (año 1999) del Instituto Nacional de Meteorología

(INAMHI), establece una velocidad de 80 h

Km, con una densidad del aire de

1.05 3m

Kgf.

El cálculo se determina de la siguiente fórmula.

W = c x q Ecuación (2.2)

Donde:

W = presión 2m

Kgf

c = coeficiente de aerodinámica

q = presión dinámica [1/2 (V2 x d)] [1]

d = densidad del aire 1.05 3m

Kgf.

q = 0.00405 x V2

V = velocidad en h

Km

(1) GAYLORD, E: Diseño de Estructuras Acero, capítulo I, Pág. 36.

53

W = (C) X (0.00405) X (V2)

El valor de C para fachada de barlovento perpendiculares a la dirección del

viento es generalmente de 0.8 y para sotavento 0.4 de manera que se puede

remplazar este efecto por un factor de 1.2 en una de las fachadas. Las

presiones en el techo dependen de la inclinación y la forma.

C = 1.2

W = c x q x V2 [2]

W = (1.2) x (0.00405 x 802)

W = 31,1 2m

Kgf

Se usará 30 2m

Kgf

Total carga de viento = 30 2m

Kgf x (d) x (f)

= 30 2m

Kgf x (3m) x (0,90m)

= 81 kgf

(2) GAYLORD, E: Diseño de Estructuras Acero, capítulo I, Pág. 37.

54

CARGA DE GRANIZO

Según el informe de la (INAMHI) en Quito se considera un peso de granizo de

40 2m

Kgf que se establece anualmente.

Total de carga de granizo = 40 2m

Kgf x (d) x (L)

= 40 2m

Kgf x 3m x 6m

= 720 kgf

CARGA DE CENIZA

Realizado por el Departamento de Investigación (ESPE) la carga de ceniza es

de 20 2m

Kgf.

Total de carga de ceniza = 20 2m

Kgf x (d) x (L)

= 20 2m

Kgf x 3m x 6m

= 360 kgf

55

CARGA SÍSMICA

Según el Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional (E.P.N.) en el

país y en especial en Quito, establece un valor de carga sísmica, la misma que

es asumida por el Código Ecuatoriano de la Construcción (C.E.C.) sustentada

por la siguiente fórmula.

V = I x K x CS x W Ecuación (2.3)

Donde:

V = fuerza lateral sísmica

I = factor de importancia de ocupación (1.0)

K = factor de fuerza horizontal para estructuras (1.33)

CyS = coeficiente numérico que depende del período natural de

vibración (no debe exceder de 0.14)

W = carga muerta 488.7 Kgf

Desarrollo:

V = (1.0) x (1.33) x (0.14) x (W)

V = (1.0) x (1.33) x (0.14) x (488,7 Kgf)

V = 91,0 Kgf

56

En el siguiente cuadro se presentan las respectivas cargas que están dadas en

2m

Kgf,

m

Kgf y Kgf, que son las que se obtienen.

TABLA 2.2 TOTAL DE CARGAS VIVAS

CARGAS VIVAS

CARGAS 2m

Kgf

m

Kgf Kgf

Carga Viva (C.E.C) 70 210 1260

Carga de Viento (INAMHI) 30 90 81

Carga de Granizo (INAMHI) 40 120 720

Carga de Ceniza (ESPE) 20 60 360

Carga Sísmica (C.E.C) 91

Por tanto la carga de granizo más la carga de ceniza son relativamente iguales

a la carga viva, entonces se usará la carga viva del Código Ecuatoriano de la

Construcción (C.E.C.)

A pesar de que la carga sísmica es mayor que la carga de viento se usará la de

viento por ser un diseño preliminar.

Obtenidos los valores de carga muerta, carga viva y carga de viento se procede

a calcular las reacciones, momentos, axiales y cortantes.

57

2.2.2 CÁLCULO DE REACCIONES, MOMENTOS, AXIALES Y

CORTANTES

Para el cálculo de reacciones, momentos, axiales y cortantes según las

diferentes condiciones de carga muerta, viva y de viento, en los diferentes

puntos de la estructura se utilizará el programa SAP 2000 correspondiente al

cálculo de pórticos articulados.

Se presentarán diagrama de momentos, axiales y cortantes, los mismos que se

basarán en la siguiente convención de signos.

Momentos: los que comprimen las fibras externas o superiores: positivos, los

que tensan las fibras internas o interiores negativos.

Axiales: los que causan fuerzas de tensión: positivos y los que causa

compresión negativos.

A efecto del cálculo se consideran las siguientes cargas:

Carga muerta = 81,5 m

Kgf

Carga viva = 210 m

Kgf

Carga de viento = 90 m

Kgf

58

Para determinar las reacciones, cortantes, axiales y momentos se definen

varias secciones sobre el pórtico, que se representan con puntos según el

siguiente sistema de coordenadas:

Fig. N° 2.2 Distribución de secciones

TABLA 2.3 VALORES DE X Y Z

VALORES (m)

PUNTO X Z

1 0 0

2 0 1,3

3 0 2,6

4 1,5 3,05

5 3 3,5

6 4,5 3,05

7 6 2,6

8 6 1,3

9 6 0

59

Las dimensiones del perfil utilizado se presenta en la Fig. N°. 2.3 y en la tabla

2.4 y en la Fig. N°. 2.4 se indica un esquema del pórtico.

Fig. N° 2.3 Nomenclatura para la sección del pórtico en Prediseño

Tabla N° 2.4 Dimensiones y propiedades del perfil.

DIMENSIONES PROPIEDADES

b = 0,12 m Ix = 1,158E-5 m4

h = 0,20 m Iy = 1,153E-6 m4

ta = 0,004 m Sx = 1,158E-4 m3

tp= 0,004 m Sy = 1,922E-5 m3

rx = 0,0819 m

ry = 0,0258 m

A = 1,728E-3 m2

60

Fig. N° 2.4 Esquema del pórtico mediante el perfil I.

61

2.2.2.1 CARGA MUERTA VERTICAL UNIFORMEMENTE REPARTIDA

Es la carga vertical dirigida hacia abajo uniformemente distribuida y se asume

constante a lo largo de toda la luz. La carga distribuida “w” tiene un valor P/L

(peso por unidad de longitud). [3]

Donde L

Pw

m

Kgfw

6

7,488

m

Kgfw 5,81

Fig. N° 2.5 Carga Muerta.

(3) LOTHERS, J: Cálculo Superior de Estructuras de Acero, capítulo V, Pág. 509.

62

CARGA MUERTA – ANÁLISIS

DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES

Fig. N° 2.6 Diagrama de Carga Axial

DIAGRAMA DE FUERZAS CORTANTES

Fig. N° 2.7 Diagrama de Fuerzas Cortantes

63

DIAGRAMA DE MOMENTOS

Fig. N° 2.8 Diagrama de Momentos.

Tabla N° 2.5 Valores con Carga Muerta

TABLA DE VALORES CON CARGA MUERTA

PUNTO X

[m]

Z

[m]

Mx

[Kgf*m]

Nx

[Kgf]

Qx

[Kgf]

1 0,00 0,00 0,00 -255,27 -71,66

2 0,00 1,30 93,15 -255,27 -71,66

3 0,00 2,60 186,31

-186,31

-255,27

-141,98

-71,66

-223,91

4 1,50 3,05 66,56 -105,33 -101,74

5 3,00 3,50 132,10 -68,63 20,59

-20,59

6 4,50 3,05 66,77 -105,33 101,58

7 6,00 2,60 -186,31 -141,98

-255,27

223,91

71,66

8 6,00 1,30 -93,15 -255,27 71,66

9 6,00 0,00 0,00 -255,27 71,66

64

2.2.2.2 CARGA VIVA VERTICAL UNIFORMEMENTE REPARTIDA

Actúa verticalmente sobre la cubierta y se asume constante a lo largo de toda la

luz (C.E.C.)

m

Kgfw 210

Fig. N° 2.9 Carga Viva.

65

CARGA VIVA – ANÁLISIS





66


Fig. N° 2.12 Diagrama de Momentos

Tabla N° 2.6 Valores con Carga Viva.

TABLA DE VALORES CON CARGA VIVA

PUNTO X

[m]

Z

[m]

Mx

[Kgf*m]

Nx

[Kgf]

Qx

[Kgf]

1 0,00 0,00 0,00 -657,74 -184,64

2 0,00 1,30 240,03 -657,74 -184,64

3 0,00 2,60 480,06

-480,06

-657,74

-365,85

-184,64

-576,94

4 1,50 3,05 171,50 -271,41 -262,16

5 3,00 3,50 340,38 -176,85 53,05

-53,06

6 4,50 3,05 172,05 -271,29 261,73

7 6,00 2,60 -480,06 -365,85

-657,74

576,94

184,04

8 6,00 1,30 -240,03 -657,74 184,04

9 6,00 0,00 0,00 -657,74 184,04

67

2.2.2.3 CARGA HORIZONTAL DE VIENTO UNIFORMEMENTE REPARTIDA

Actúa horizontalmente sobre la cubierta y se asume constante entre la

separación de pórticos.

m

Kgfw 90

Fig. N° 2.13 Carga de Viento.

68

CARGA DE VIENTO - ANÁLISIS


Fig. N° 2.14 Diagrama de Carga Axial.



69



Tabla. N° 2.7 Valores con Carga de Viento

TABLA DE VALORES CON CARGA DE VIENTO

PUNTO X

[m]

Z

[m]

Mx

[Kgf*m]

Nx

[Kgf]

Qx

[Kgf]

1 0,00 0,00 0,00 45,77 47,01

2 0,00 1,30 -61,11 45,77 47,01

3 0,00 2,60 -122,22

122,22

45,77

58,18

47,01

30,34

4 1,50 3,05 64,41 15,07 43,27

5 3,00 3,50 -13,33 -28,07

-54,38

56,22

31,47

6 4,50 3,03 -62,60 -54,38 31,47

7 6,00 2,60 -111,93 -54,38

-45,77

31,47

43,05

8 6,00 1,30 -55,96 -45,77 43,05

9 6,00 0,00 0,00 -45,77 43,05

70

2.2.2.4 COMBINACIÓN DE CARGAS

Se ha considerado una combinación, debido a las cargas muertas, cargas vivas

y cargas de viento, el resultado se presenta en la tabla N° 2.8 y figuras 2.17,

2.18, 2.19 y 2.20.

Fig. N° 2.17 Combinación de Cargas

71

COMBINACIÓN DE CARGAS - ANÁLISIS


Fig. N° 2.18 Diagrama de Cargas Axiales.



72



Tabla. N° 2.8 Valores para Combinación de Cargas

TABLA DE VALORES PARA COMBINACIÓN DE

CARGAS

PUNTO X

[m]

Z

[m]

Mx

[Kgf*m]

Nx

[Kgf]

Qx

[Kgf]

1 0,00 0,00 0,00 867,24 209,29

2 0,00 1,30 272,07 867,24 209,29

3 0,00 2,60 544,15

544,15

867,24

449,65

209,29

770,51

4 1,50 3,05 302,47 361,67 320,63

5 3,00 3,50 459,16 273,55

299,86

129,86

105,11

6 4,50 3,05 176,22 431,00 394,78

7 6,00 2,60 778,30 562,21

958,78

832,32

298,75

8 6,00 1,30 389,14 958,78 298,75

9 6,00 0,00 0,00 958,78 298,75

73

2.2.3 DISEÑO PRELIMINAR DE LA COLUMNA Y VIGA

Mediante las combinaciones críticas de carga de la tabla N° 2.8 se puede hacer

un diseño simplificado a fin de estimar las secciones tanto de la columna como

de la viga para esto se toma en cuenta solo las cargas axiales y momentos

máximos que actúan en dichos miembros.

2.2.3.1 COLUMNA

En el punto tres de la columna

Mmax = MCMuerta + MCViva + MCViento Ecuación (2.4)

Mmax = 186,31 Kgf.m + 480,06 Kgf.m + 111,93 Kgf.m

Mmax = 778,30 Kgf.m

Mmax = 67553,45 lbf.pulg

Nmax = NCMuerta + NCViva + NCViento Ecuación (2.5)

Nmax = 255,27 Kgf + 657,74 Kgf + 45,77 Kgf

Nmax = 958,78 Kgf

Nmax = 2113,74 lbf

Según la sección I asumida para la columna de acero ASTM A-36

74

Las dimensiones:

Patín = 12 cm x 0,4 cm

Alma = 20 cm x 0,4 cm

Y propiedades:

A = 17,28 cm2 = 2,678 pulg2

Sx = 115,8 cm3 = 7,066 pulg3

ry = 2,58 cm = 1,015 pulg

Esfuerzo a compresión:

A

Pfa Ecuación (2.6 )

2lg678.2

74.2113

pu

lbffa

Ksifa 7892.0

La relación de esbeltez de la columna es:

m

mx

r

lK

0258.0

60.26.1.

24.161.

r

lK

75

Donde:

K: se asume el valor aproximado de 1.6 que corresponde a una condición en los

extremos en el que uno tiene rotación y traslación fijas y otro una condición

intermedia entre articulación y junta rígida con traslación libre.

l: longitud efectiva de la columna

r: radio de giro mínimo

Esfuerzo permisible a compresión:

ksiFa 74.5 Del manual de la A.I.S.C. Tabla 3-36

Sin embargo el esfuerzo permisible debe reducirse debido a que los elementos

de placa puedan no ser completamente efectivas por su esbeltez (b/t),

asumiendo un factor de reducción de 0.9 se tiene:

xFaFa 9.0´ Ecuación (2.7)

ksixFa 74.59.0´

ksiFa 166.5´

76

Entonces:

Ksi

Ksi

Fa

fa

166.5

786.0

152.0Fa

fa

15.015.0 Fa

fa

Esfuerzo a flexión en la columna:

S

Mfb max Ecuación (2.8)

3lg066.7

lg.45.67553

pu

pulbffb

ksifb 560.9

77

Esfuerzos permisibles a flexión:

Despreciando la posible reducción en los esfuerzos permisibles a flexión por los

elementos de placa esbeltos.

FyFb 6.0 A.I.S.C. 1.5.1.4.4 Ecuación (2.9)

)36000(6.0Fb

ksiFb 6.21

Entonces:

Ksi

Ksi

Fb

fb

6.21

560.9

442.0Fb

fb

Como 15.0Fa

fa usando, la relación de la A.I.S.C. 1.6-2 para esfuerzos

combinados se tiene:

1Fb

fb

Fa

fa

1442.015.0

1592.0 O.K.

La sección es satisfactoria.

78

2.2.3.2 VIGA

M max = 778,30 kgf.m

M max = 67553,45 lbf.pulg

N max = NCMuerta + NCViva + NCViento

N max = 141,98 Kgf + 365,85 Kgf + 54,38 Kgf

N max = 562,21 Kgf

N max = 1239,46 lbf

Según se asumió una sección I para la viga ASTM A-36

Dimensiones:

Patín = 12 cm x 0,4 cm

Alma = 20 cm x 0,4 cm

Propiedades:

A = 17,28 cm2 = 2,678 pulg2

Sx = 115,8 cm3 = 7,066 pulg2

ry = 2,58 cm = 1,015 pulg

rx = 8.19 cm = 3,224 pulg

Esfuerzo a compresión:

A

Pfa

79

2678.2

46.1239

pulf

lbffa

Ksifa 4628.0

Esfuerzo permisible a compresión:

La relación de esbeltez de la viga es:

m

mx

r

lK

0819.0

13.35.1.

32.57.

r

lK

ksiFa 56.17 De la tabla 3-36 del anual de la A.I.S.C.

Considerando un factor de reducción de esfuerzo de 0.9

xFaFa 9.0´

ksixFa 56.179.0´

KsiFa 80.15´

Entonces:

Ksi

Ksi

Fa

fa

80.15

4628.0

15.002929.0 Fa

fa

80

Esfuerzo a flexión:

S

Mfb max

2lg066.7

lg.45.67553

pu

pulbffb

ksifb 560.9

Esfuerzos permisibles a flexión:

FyFb 6.0

)36000(6.0Fb

ksiFb 6.21

Entonces:

Ksi

Ksi

Fb

fb

6.21

560.9

442.0Fb

fb

Como 15.0Fa

fa, usando la relación de esfuerzos combinados

81

1Fb

fb

Fa

fa

1442.002929.0

1471.0 Ok

Sección satisfactoria.

2.3 ANÁLISIS Y DISEÑO DEFINITIVO

Para el análisis y diseño definitivo se ha establecido las dimensiones básicas,

forma, geometría del pórtico y las secciones definitivas a lo largo del mismo,

como se describe seguidamente:

Luz del pórtico entre ejes = 5,80 m

Separación entre pórticos = 3,00 m

Altura de la columna = 2,60 m

Altura de la cubierta = 0,90 m

82

Las anteriores dimensiones son las medidas entre ejes. La luz con relación al

cálculo preliminar tiene una ligera variación pues una medición más exacta en

el sitio y la conveniencia de tomar en cuenta las variaciones que existe entre los

diferentes pares de columnas determinan este valor.

La forma general del pórtico se designa como una estructura a dos aguas

compuesta de: viga, columna y cartelas. La viga es constante en el centro con

una variación en sus dos extremos acartelados y tiene perforaciones en el

alma. La columna es constante y una variación en la cabeza acartelada.

La forma general y la variación de la sección asumidos para el pórtico

responden a razones estéticas, facilidad constructiva y la forma como varían los

momentos y axiales a lo largo del pórtico.

El esquema completo, la variación de sección y las secciones especificadas del

pórtico pueden verse en las figuras N° 2.21, N° 2.22, la tabla N° 2.9 y los

planos de conjunto y detalle.

Tabla N° 2.9 Dimensiones y Propiedades del Diseño Definitivo.


PÓRTICO SECCIÓN h ta b Tp A Ix Iy rx ry Sx

cm cm cm cm cm2

cm4

cm4

cm

cm cm3

COLUMNA A - A 20 0,4 10 0,4 15,68 1004 66,77 8 2,06 100,4

B - B 20 0,4 10 0,4 15,68 1004 66,77 8 2,06 100,4

VIGA C - C 36,5 0,4 10 0,4 22,28 4123 66,86 13,6 1,73 225,9

D - D 20 0,4 10 0,4 15,68 1004 66,77 8 2,06 100,4

E - E 20 0,4 10 0,4 15,68 1004 66,77 8 2,06 100,4

F - F 26 0,4 10 0,4 18,08 1844 66,8 10,1 1,92 141,9

G - G 20 0,4 10 0,4 11,2 973,9 36,6 9,3 1,81 93,64

83

Perfil de alma llena Perfil de alma perforada

Fig. N° 2.21 Sección para el pórtico

Fig. N° 2.22 Dimensiones de la estructura

84

2.3.1 CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA MEDIO DE LA VIGA

La viga tiene una perforación en el alma como se observa en la figura N° 2.23 y

las propiedades en la tabla 2.10.

Fig. N° 2.23 Referencia para el Momento de Inercia medio de la viga

Donde:

Alma perforada = 919,18 cm4

Alma llena = 1004 cm4 n = # espacios

l1 = 12,0 cm n1 = 9

l2 = 14,2 cm n2 = 8

l3 = 52,0 cm n3 = 1

l4 = 30,0 cm n4 = 1

Tl

xIxlnxIxlnxIxlnxIxlnI 244233222111

85

487,973 cmxI

459,36 cmyI

Tabla N° 2.10 Dimensiones y propiedades de la viga media sección G - G.


h ta b tp A Ix Iy rx ry Sx cm cm cm cm cm2 cm4 cm4 cm cm cm3

20 0,4 10 0,4 11,2 973,87 36,59 9,32 1,81 93,64

2.3.2 CARGAS

Puesto que están definidas las secciones definitivas, se pueden estimar mejor

las cargas.

Cargas muertas reales

86

Kgf/m

80,5

)072,6)(00,3)(80,4(Cubierta = 15,00

80,5

)1000.7880()6,2)(24,34()072,6)(7,16( 6

xPórtico = 25,90

80,5

)00,15)(00,3)(95,4(arg uerosL = 38,41

00,6

)46,11)(00,3)(00,5(nesInstalacio = 15,70

)90,25(15,0 ientoarriostramresRigidizado = 3,90

Total de cargas muertas. = 98,90 Kgf/m

Cargas vivas = (70,00)(3,00) = 210,00 kgf/m

Cargas de viento = (30,00)(3,00) = 90,00 kgf/m

2.3.3 REACCIONES, CORTANTES, AXIALES Y MOMENTOS

87

CARGA MUERTA

Fig. N° 2.24 Reacción de Carga Muerta

CARGA VIVA

Fig. N° 2.25 Reacción de Carga Viva

CARGA DE VIENTO

Fig. N° 2.26 Reacción de Carga de Viento

2.3.3.1 ANÁLISIS DE CARGAS VERTICALES DEL PÓRTICO

CARGA MUERTA

88




Fig. N° 2.28 Diagrama de Fuerza Cortante

89



Tabla N° 2.11 Valores con carga muerta

TABLA DE VALORES CON CARGA MUERTA

PUNTO X

[m]

Z

[m]

Mx

[Kgf*m]

Nx

[Kgf]

Qx

[Kgf]

1 0,00 0,00 0,00 -300,30 -81,08

2 0,00 1,30 105,41 -300,30 -81,08

3 0,00 2,60 210,82

-210,82

-300,30

-166,45

-81,08

-262,78

4 1,45 3,05 77,06 -121,94 -119,37

5 2,90 3,50 151,65 -77,44 24,03

-24,03

6 4,35 3,05 77,06 -121,94 119,37

7 5,80 2,60 -210,82 -166,45

-300,30

262,78

81,08

8 5,80 1,30 -105,41 -300,30 81,08

9 5,80 0,00 0,00 -300,30 81,08

90

2.3.3.2 ANÁLISIS DE CARGA VERTICAL VIVA DEL PÓRTICO





91



Tabla N° 2.12 Valores con Carga Viva

TABLA DE VALORES CON CARGA VIVA

PUNTO X

[m]

Z

[m]

Mx

[Kgf*m]

Nx

[Kgf]

Qx

[Kgf]

1 0,00 0,00 0,00 -637,65 -172,17

2 0,00 1,30 223,82 -637,65 -172,17

3 0,00 2,60 447,64

-447,64

-637,65

-353,43

-172,17

-557,97

4 1,45 3,05 163,62 -258,93 -253,47

5 2,90 3,50 322,01 -164,43 51,03

-51,03

6 4,35 3,05 163,10 -258,93 253,47

7 5,80 2,60 -447,64 -353,43

-637,65

557,97

172,17

8 5,80 1,30 -223,82 -637,65 172,17

9 5,80 0,00 0,00 -637,65 172,17

92

2.3.3.3 ANÁLISIS DE CARGA HORIZONTAL EN LA CUBIERTA CARGA

DE VIENTO





93



Tabla N° 2.13 Valores con Carga de Viento

TABLA DE VALORES CON CARGA DE VIENTO

PUNTO X

[m]

Z

[m]

Mx

[Kgf*m]

Nx

[Kgf]

Qx

[Kgf]

1 0,00 0,00 0,00 47,32 46,70

2 0,00 1,30 -61,06 47,32 46,70

3 0,00 2,60 -122,12

122,12

47,32

58,88

46,70

31,28

4 1,45 3,05 64,30 15,91 44,62

5 2,90 3,50 -13,36 -27,07

-55,13

57,96

32,45

6 4,35 3,05 -62,62 -55,13 32,45

7 5,80 2,60 -111,88 -55,13

-47,33

32,45

43,03

8 5,80 1,30 -55,94 -47,33 43,03

9 5,80 0,00 0,00 -47,33 43,03

94

2.3.3.4 ANÁLISIS DE COMBINACIÓN DE CARGAS




Fig. N° 2.37 Diagrama de Esfuerzo Cortante

95



Tabla N° 2.14 Valores para combinación de Cargas

TABLA DE VALORES PARA COMBINACIÓN DE

CARGAS

PUNTO X

[m]

Z

[m]

Mx

[Kgf*m]

Nx

[Kgf]

Qx

[Kgf]

1 0,00 0,00 0,00 890,63 206,28

2 0,00 1,30 268,17 890,63 206,28

3 0,00 2,60 536,34 890,63

464,33

206,28

789,47

4 1,45 3,05 304,98 364,96 328,22

5 2,90 3,50 460,30 26894

297

133,02

42,61

6 4,35 3,05 178,06 436 405,29

7 5,80 2,60 770,34 575,01

985,28

853,20

296,28

8 5,80 1,30 385,17 985,28 296,28

9 5,80 0,00 0,00 985,28 296,28

96

2.3.4 DISEÑO DEL PÓRTICO

El procedimiento seguido para el diseño de la columna y la viga del pórtico en

líneas generales es el siguiente:

Primero se determinan las relaciones de esbeltez ancho a espesor (b/t) de los

diferentes elementos de placa que conforman el pórtico y se comparan con las

relaciones limites (b/t) lim, dadas por el manual de la A.I.S.C. Esto se debe a

que, al haber armado el pórtico con elementos de placa estos pueden ser

demasiado esbeltos y presentar el fenómeno de pandeo local. Cuando esto

ocurre la resistencia de los elementos según diferentes estados de carga se ve

disminuida.

Segundo se determinan los esfuerzos permisibles a diferentes estados de carga

y sus combinaciones, de ser el caso se los reduce por factores que toman en

cuenta el grado de pérdida en la resistencia debido a la esbeltez de las placas.

Finalmente se determinan los esfuerzos a que están sometidos los diferentes

elementos del pórtico de manera que éstos sean menores o iguales que los

esfuerzos permisibles.

97

2.3.4.1 DISEÑO DE LA COLUMNA

En la figura N° 2.39 y la tabla N°2.15 se presentan las cargas, dimensiones y

propiedades para las secciones a la que se hace referencia en el diseño de la

columna. Las cargas Mx, Nx y Qx de la tabla son las críticas.

Fig. N° 2.39 Columna metálica

Tabla N° 2.15 Cargas, dimensiones y propiedades de la columna

CARGAS DIMENSIONES PROPIEDADES

SECCIÓN M Nx Qx H ta b tp A Ix Iy rx ry Sx

Kgf.m Kgf Kgf Cm cm cm cm cm2

cm4

cm4

cm cm cm3

A - A 0,0 985,2 296,2 20,0 0,4 10,0 0,4 15,7 1004,0 66,7 8,0 2,06 100,4

B - B 548,5 985,2 296,2 20,0 0,4 10,0 0,4 15,7 1004,0 66,7 8,0 2,06 100,4

C – C 770,3 985,2 853,2 36,5 0,4 10,0 0,4 22,3 4123,0 66,9 13,6 1,73 225,9

98

2.3.4.2 LONGITUDES NO ARRIOSTRADAS

Longitud en el plano del alma. Lx = 260 cm

Perpendicular al alma. Ly = 260 cm

2.3.4.3 LONGITUDES EFECTIVAS

Ky = 1 se considera doblemente articulada.

Kx depende de la rigidez de la columna y la viga, las longitudes y

condiciones relativas a la libertad de los desplazamientos y giro

de los apoyos.

Con GB = 10 valor recomendado por la A.I.S.C. para columnas con

Condiciones articuladas, valor al pie de la columna.

Y GA

LgIg

LcIc

Ecuación (2.10)

GA 12

21

.

.

LI

LI

GA m

mX

mx

mx

6.2

072.6

107387.9

10004.146

45

GA = 2.40

K = 2.18 Del monograma para K (A.I.S.C.)

99

Entonces:

KLx = 2.18 x 2.6 = 5.7 m

KLy = 1.0 x 2.6 = 2.6 m

2.3.4.4 ESFUERZOS PERMISIBLES A COMPRESIÓN

RELACIÓN DE ESBELTEZ DE LAS PLACAS

Patín

Relación de esbeltez del patín en la base y cabeza de la columna

b = 10 / 2; t = 0.4.

5.124.0

00.5

cm

cm

t

b

Relación de esbeltez máxima max

t

b A.I.S.C. 1.9.1.2

max

t

b =

Fy

95 Ecuación (2.11)

max

t

b =

36

95

max

t

b = 15.8

100

Como:

12.5 15.8 El patín plenamente efectivo no requiere de

reducción de esfuerzos permisibles debido

a la esbeltez de la placa.

ALMA

Relación de esbeltez del alma en la:

Sección: A – A y B – B

t

d =

4.0

20 = 50

Sección: C – C

t

d =

4.0

5.36 = 91.25

101

Relación máxima del alma max

t

d A.I.S.C. 1.9.2.2

max

t

d =

Fy

253 Ecuación (2.12)

max

t

d =

36

253

max

t

d = 42.2

Como:

50 42.2

91.25 42.2 El alma no es plenamente efectiva para

compresión axial y compresión a flexión

en el patín, se debe reducir los esfuerzos

permisibles correspondientes.

REDUCCION DE ESFUERZOS PERMISIBLES

En la base de la columna (Sección A-A)

Peralte efectivo del alma

102

d

ft

dfde

3.44

1253

AISC Apéndice C: C3

con:

f = 0.6 Qs (Fy)

Qs = 1 Patín plenamente efectivo AISC Apéndice C

f = 0.6 Qs ( Fy )

f = 0.6 x 1 x 36

f = 21.6 Ksi

dde

6.2150

3.441

6.21

54.2

4.0253

lg938.6 pude

cmde 62.17

Área efectiva de la columna en la base

4.062.174.0102 xxxAe

2048.15 cmAe

103

Factor:

At

AeQa AISC Apéndice C: C4 Ecuación (2.13)

2

2

68.15

048.15

cm

cmQa

96.0Qa

FyQaQs

EcC

22´

AISC Apéndice C: C5 Ecuación (2.14)

6.130' cC

ESFUERZO PERMISIBLE A COMPRESIÓN Fa REDUCIDO

3

3

2

2

'8'8

3

3

5

'21

cC

r

Kl

cC

r

Kl

FycC

r

Kl

QaQs

Fa AISC Apéndice C5 – 1 Ecuación (2.15)

104

Con:

ry

Kl =

cm

cmx

06.2

2601 = 126.2

rx

Kl =

cm

cmx

0.8

26018.2 = 70.9

ry

Kl >

rx

Kl

3

3

2

2

6.1308

2.126

6.130

2.126

8

3

3

5

366.1302

2.126196.01

Fa

KsiFa 6.9

Para la Sección B - B se tiene:

cmde 62.17

2048.15 cmAe

96.0Qa

6.130' cC

KsiFa 6.9

105

Para la cabeza se tiene (Sección C - C):

cmde 5.19

28.15 cmAe

71.0Qa

9.151' cC

KsiFa 2.13

2.3.4.5 ESFUERZOS PERMISIBLES A FLEXIÓN Fb

PATÍN

Tanto para la sección A – A , B – B y C – C

A tensión

Fb = 0.6 Fy A.I.S.C. 1.5.1.4.5.

A compresión

Como:

t

b = 12.5 < 15.8

106

Si:

L Lc

Fb = 0.6 Fy AISC 1.5.1.4.5 2b

L = Longitud arriostrada

Lc = Longitud crítica no arriostrada

Lc = Fy

bf76 Ecuación (2.16)

Donde:

bf = ancho del patín

Con:

bf = 10 cm

Lc = 36

54.2

1076

Lc = 49.87 pulg

Lc = 126.7 cm

Como:

L = 260 cm > 126.7 cm Si existe posibilidad de pandeo

lateral torcional.

107

Fb 0.6 Fy

Af

ld

CbxFb

31012 A.I.S.C. 1.5.1.4.5a.

Donde:

l = 260 cm

d = 20.8 cm

Af = 0.4 cm x 10 cm = 4 cm2

Cb = 1.75 + 1.05 (M1/M2) + 0.3 (M1/M2)2

Cb = 1.75 + 1.05 (0/770.3) + 0.3 (0/770.3)2

Cb = 1.75

cm

cmxcm

xFb

4

8.20260

75.11012 3

.53.15 KsiFb

Fb 0.6 Fy

15.53 Ksi 21.6 Ksi

108

ALMA

RELACIÓN DE ESBELTEZ MÁXIMA

max

t

d =

5.16

14000

FyFy AISC 1.10.2 Ecuación (2.17)

max

t

d = 322

Como:

max

t

d = 50 < 322 Sección A - A

max

t

d = 50 < 322 Sección B – B

max

t

d = 91.25 < 322 Sección C – C Ok

REDUCCIÓN EN LOS ESFUERZOS A FLEXIÓN DEL PATÍN

Si:

t

d >

lim

t

d =

Fb

760

Se debe reducir los esfuerzos Fb en el patín AISC 1.10.6

109

Con:

Fb = 15.5 Ksi

lim

t

d =

5.15

760 = 193.0

t

d = 50 193.0

max

t

d = 91.25 < 193.0 Ok.

No se debe reducir los esfuerzos a flexión del patín para la esbeltez del alma

tanto en la sección A – A, B – B, como en la sección C – C.

2.3.4.6 DISEÑO A FLEXIÓN Y COMPRESIÓN DEL PATÍN

En la sección B – B de la columna.

Esfuerzo a compresión.

A

Pfa

110

2lg429.2

17.2172

pu

lbffa

Ksifa 894.0

Fa = 9.6 Ksi Esfuerzo permisible previamente establecido

09305.06.9

894.0

Ksi

Ksi

Fa

fa < 0.15

1Fb

fb

Fa

fa AISC 1.6.1.

Con:

Esfuerzos a flexión.

S

Mfb

3lg126.6

lg.29.47610

pu

pulbffb

Ksifb 771.7

Ksi

Ksi

Fb

fb

53.15

771.7

5.0Fb

fb

111

Usando la relación.

Fb

fb

Fa

fa < 1

0.09305 + 0.5 < 1

0.593 < 1

En la cabeza (sección C – C) de la columna

Esfuerzos de compresión

Ksifa 629.0

Fa = 6.8 Ksi Esfuerzo permisible previamente establecido

0925.08.6

629.0

Ksi

Ksi

Fa

fa < 0.15

1Fb

fb

Fa

fa AISC 1.6.1.

112

Con:

Esfuerzos a flexión.

Ksifb 850.4

Fb = 15.53 Ksi

31.0Fb

fb

Usando la relación.

Fb

fb

Fa

fa < 1

0.0925 + 0.31 < 1

0.40 < 1

113

2.3.4.7 ESFUERZOS PERMISIBLES AL CORTANTE EN EL ALMA Fv

Fv = CvFy

89.2 0.4 Fy AISC 1.10.5.2 Ecuación (2.18)

Cv =

2

45000

t

hFy

K Si: Cv < 0.8 AISC 1.10.5.2 Ecuación (2.19)

Cv = Fy

K

t

h

190 Si: Cv > 0.8 AISC 1.10.5.2 Ecuación (2.20)

Con:

K = 2

00.44

h

a Si:

h

a < 1.0 AISC 1.10.5.2 Ecuación (2.21)

K = 2

00.434.5

h

a Si:

h

a > 1.0 AISC 1.10.5.2 Ecuación (2.22)

114

Para:

a = 260 cm

h = 20 cm

t = 0.4 cm

a = 2.6 m pues no se prevé el uso de

atiesadores en el alma de la columna.

1320

260

h

a

h

a > 1

K =

36.513

00.434.5

2

Cv = 466.136

36.5

50

190 > 0.8

Fv = Ksi26.18466.189.2

36

Fv = 0.4 Fy

Fv = 0.4 (36)

Fv = 14.4

18.26 > 14.4

115

Como:

Fv > 14.4

Fv = 14.4

CORTANTE PROMEDIO AL ALMA fv

Sección A – A y B – B de la columna.

A

Qfv Ecuación (2.23)

cmcmx

Kgffv

4.020

28.296

2035.37

cm

Kgffv

Ksifv 527.0

fv < Fv

0.527 < 14.4 Ok

En la cabeza (sección C – C) de la columna.

831.0fv

116

fv < Fv

0.831 < 14.4 Ok

USO DE ATIESADORES INTERMEDIOS EN EL ALMA

No se requiere de atiesadores intermedios si:

t

d < 260 Y fv < Fv AISC 1.10.5.3

Como:

Sección A - A Y B - B de la columna.

t

d = 50 < 260

0.527 Ksi < 14.4 Ksi

Sección C - C de la columna

t

d = 91.25 < 260

0.831 Ksi < 14.4 Ksi

No se necesitan colocar atiesadores intermedios en el alma de la columna

117

2.3.5 DISEÑO DE LA VIGA DEL PÓRTICO

El diseño de la viga es similar a la de la columna.

En la figura N° 2.40 y la tabla N° 2.16 se presentas las cargas máximas,

dimensiones y propiedades de las secciones C – C, D – D, E – E, F – F

y G - G.

Fig. N° 2.40 Viga metálica

118

Tabla N° 2.16 Cargas, dimensiones y propiedades de la viga

CARGAS DIMENSIONES PROPIEDADES

SECCIÓN M Nx Qx h ta b tp A Ix Iy rx ry Sx

Kgf.m Kgf Kgf cm cm cm cm cm2

cm4

cm4

cm cm cm3

C – C 770.3 985.3 853.2 36.5 0.4 10 0.4 22.3 4123 66.7 13.6 1.7 225.9

D – D 440.9 527.2 728.9 20.0 0.4 10 0.4 15.7 1004 66.8 8.0 2.1 100.4

E – E 477.9 281.7 71.8 20.0 0.4 10 0.4 15.7 1004 66.8 8.0 2.1 100.4

F – F 460.3 296.9 133.0 26.0 0.4 10 0.4 18.1 1844 66.8 10.1 1.9 141.9

G - G 461.4 323.8 231.2 8.0 0.4 10 0.4 11.2 974 36.6 9.3 1.8 93.6

2.3.5.1 LONGITUDES NO ARRIOSTRADAS PARA LA VIGA

Longitud en el plano del alma Lx = 3.036 m

Longitud perpendicular al plano (separación entre correas) Ly = 0.98 m

Se supone que las correas dan soporte lateral.

LONGITUDES EFECTIVAS

Ky = 1

Kx = Depende de la rigidez de la viga – columna

GB = 1 Valor recomendado por la AISC

119

GA =

LcIc

LgIg

Ecuación del Monograma de la AISC

GA = IcxLv

IvxLc

GA = mx

mx

mx

mx

5.1036.3

6.2

10004.1

107387.945

46

GA = 0.55

K = 1.25 Del monograma de la AISC

Entonces:

Klx = 1.25 x 3.036 = 3.79 m

Klx = 1 x 0.98 = 0.98 m

2.3.5.2 ESFUERZOS PERMISIBLES A COMPRESIÓN

RELACIÓN DE ESBELTEZ

La relación de esbeltez del patín y del alma se presentan en la siguiente tabla,

si es o no efectivas en las secciones C – C, D – D, E – E, F – F y G – G.

120

Tabla N° 2.17 Relación de esbeltez

SECCIÓN b/t PATÍN d/t ALMA

AISC 1.9.1.2 AISC 1.9.2.2

C – C 12.5 < 15.8 91.3 > 42.2 D – D 12.5 < 15.8 50.0 > 42.2 E – E 12.5 < 15.8 50.0 > 42.2 F – F 12.5 < 15.8 65.0 > 42.2 G - G 12.5 < 15.8 20.0 < 42.2

EFECTIVAS NO EFECTIVAS

REDUCCIÓN DE LOS ESFUERZOS PERMISIBLES A COMPRESIÓN Fa

La relación de los esfuerzos en las secciones consideradas se resumen en la

tabla.

Tabla N° 2.18 Valores de esfuerzos permisibles a compresión.

SECCIÓN d/t de Ae Fa

Ancho Área Qa C'c Ksi Klx/rx Kly/ry Efectivo Efectiva

C - C 91.3 19.5 15.8 0.71 151.9 13.2 27.9 56.6 D - D 50.0 17.6 15.1 0.96 130.6 17.9 47.4 47.6 E - E 50.0 17.6 15.1 0.96 130.6 17.9 47.4 47.6 F - F 65.0 18.5 15.4 0.85 138.8 15.9 37.5 51.0 G - G 20.0 11.4 12.6 1.12 120.9 19.9 40.7 54.1

121

2.3.5.3 ESFUERZO PERMISIBLE A FLEXIÓN Fb

PATÍN

A TENSIÓN

Fb = 0.6 Fy AISC 1.5.1.4.5

A COMPRESIÓN

Sección C – C, D – D, E – E, F – F y G - G.

Como:

5.12t

b < 15.8

Si:

L Lc Fb = 0.6 Fy AISC 1.5.1.4.5. 2b

122

Longitud critica no arriostrada lateralmente

Lc = Fy

bf76 AISC 1.5.1.4.5. 2b

Para la sección C – C, D – D, E – E, F – F y G - G.

bf = 10 cm ancho del patín

Entonces:

Lc = 36

54.210776x

Lc = 49.86 pulg

Lc = 126.7 cm

Como:

L = 0.98 m < Lc = 1.27 m

No existe la posibilidad de pandeo lateral torsional

Fb = 0.6 Fy

Fb = 21.6 Ksi

123

ALMA

RELACIÓN DE ESBELTEZ MÁXIMA Y REDUCCIÓN DE ESFUERZOS A LA

FLEXIÓN DEL PATÍN

La relación de esbeltez máxima presentada por el manual de la AISC para el

alma, la comprobación de esbeltez de las secciones C – C, D – D, E – E, F – F

y G – G; la reducción de esfuerzos a flexión del patín se presenta en la

siguiente tabla.

Tabla N° 2.19 Valores (d/t)

SECCIÓN (d/t) (d/t) (d/t)

AISC 1.10.2 AISC 1.10.16

C - C 91.3 < 322 193.0 D - D 50.0 < 322 193.0 E - E 50.0 < 322 193.0 F - F 65.0 < 322 193.0

G - G 20.0 < 322 193.0

2.3.5.4 DISEÑO A FLEXIÓN – COMPRESIÓN DEL PATÍN

Los esfuerzos a compresión en las diferentes secciones de la viga son:

124

Sección:

C - C Ksicm

Kgf

A

Pfa 629.0

28.22

28.9852

D - D Ksicm

Kgf

A

Pfa 478.0

68.15

23.5272

E - F Ksicm

Kgf

A

Pfa 256.0

68.15

69.2812

F - F Ksicm

Kgf

A

Pfa 234.0

08.18

99.2962

G - G Ksicm

Kgf

A

Pfa 411.0

2.11

81.3232

Los resultados anteriores y la relación fa/Fa se presentan en la siguiente tabla

Tabla N° 2.20 Relación fa/Fa

SECCIÓN fa Fa fa/Fa

C - C 0.629 13.2 0.0476 < 0.15 D - D 0.478 17.9 0.0274 < 0.15 E - E 0.256 17.9 0.0147 < 0.15 F - F 0.234 15.9 0.0147 < 0.15

G - G 0.524 19.9 0.0206 < 0.15

125

Esfuerzo de flexión

S

Mfb y Fb = 0.6 Fy

Los resultados anteriores y la relación fb/Fb se presentan en la siguiente tabla

Tabla N° 2.21 Relación fb/Fb

SECCIÓN fb Fb fb/Fb

C - C 4.850 15.5 0.31 D - D 6.246 15.5 0.40 E - E 6.770 15.5 0.44 F - F 4.613 15.5 0.30

G - G 7.007 15.5 0.45

Usando la relación Fb

fb

Fa

fa < 1

Tabla N° 2.22 Usando la Relación fa/Fa + fb/Fb < 1

SECCIÓN Fa

fa

Fb

fb

Fb

fb

Fa

fa

C - C 0.0476 0.31 0.36 < 1 D - D 0.0267 0.40 0.43 < 1 E - E 0.0143 0.44 0.45 < 1 F - F 0.0147 0.30 0.31 < 1 G -G 0.0206 0.45 0.47 < 1

126

2.3.5.5 ESFUERZOS PERMISIBLES AL CORTANTE EN EL Fv

Fv = CvFy

89.2 0.4 Fy AISC 1.10.5.2

Cv =

2

45000

t

hFy

K Si: Cv < 0.8 AISC 1.10.5.2

CV = Fy

K

t

h

190 Si: CV > 0.8 AISC 1.10.5.2

Con:

K = 2

00.44

h

a Si:

h

a < 1.0 AISC 1.10.5.2

K = 2

00.434.5

h

a Si:

h

a > 1.0 AISC 1.10.5.2

Los esfuerzos permisibles al cortante en el alma Fv en las secciones

consideradas se resumen en la tabla

127

Tabla N° 2.23 Valores de esfuerzos permisibles al cortante Fv

SECCIÓN th

ha

K Cv Fv 0.4 Fy Fv

C - C 91.3 2.7 5.9 0.85 10.59 < 14.4 10.6 D - D 50.0 4.9 5.5 1.49 18.56 > 14.4 14.4 E - E 50.0 4.9 5.5 1.49 18.56 > 14.4 14.4 F - F 65.0 3.8 5.6 1.15 14.32 < 14.4 14.3

G - G 20.0 12.3 5.4 3.70 46.10 > 14.4 14.4

a = 0.98 m (se utiliza atiesadores de apoyo debajo de cada larguero a

distancia de 0.98 m)

CORTANTE PROMEDIO AL ALMA fv

Los valores del cortante promedio al alma fv de las secciones consideradas se

presentan en la tabla siguiente. A

Qfv

Tabla N° 2.24 Valores del cortante promedio fv < Fv

SECCIÓN Qx Aa A

Qfv

Fv Kgf Cm2 Ksi Ksi

C - C 853.2 14.6 0.831 < 10.6 Ok D - D 728.9 8.0 1.296 < 14.4 Ok E - E 71.8 8.0 0.127 < 14.4 Ok F - F 133.0 10.4 0.182 < 14.3 Ok G - G 231.2 3.2 1.028 < 14.4 Ok

128

USO DE ATIESADORES INTERMEDIOS EN EL ALMA

No se requieren atiesadores intermedios

Si:

t

d < 260 y fv < Fv

Para las secciones consideradas se presenta en la siguiente tabla

Tabla N° 2.25 fv < Fv

SECCIÓN d t

t

d

< 260 fv < Fv cm cm Ksi Ksi

C - C 36.5 0.4 91.3 < 260 0.831 < 10.59 D - D 20.0 0.4 50.0 < 260 1.296 < 14.4 E - E 20.0 0.4 50.0 < 260 0.127 < 14.4 F - F 26.0 0.4 65.0 < 260 0.182 < 14.3 G - G 8.0 0.4 20.0 < 260 1.028 < 14.4

No es necesario colocar atiesadores.

129

2.3.6 DISEÑO DE LOS ATIESADORES DE APOYO

Se usarán dos atiesadores de apoyo en la viga, debajo de la ubicación de cada

uno de los largueros.

Fig. N° 2.41 Posición y dimensión de los atiesadores.

Propiedades:

A = (2)x(5)x(0.4)+(25)x(0.4) AISC 1.10.5

A = 14 cm2

= tb3

3

2 Ecuación (2.24)

= 4.053

2 3

= 33.3 cm4

130

Relación t

b de atiesadores

t

b =

4.0

5

Fy

76 A.I.S.C. 1.9.1.2

t

b = 12.5 < 7.12

36

76 Ok

ESFUERZOS PERMISIBLES A COMPRESIÓN

Fa = 0.6 Fy A.I.S.C. 1.5.1.3.4

Fa = 0.6 (36)

Fa = 21.6 Ksi

Esfuerzo a compresión fa

fa = A

P

Pmax = (0.98)x(70+6.072+30)

Pmax = 311.8 Kgf

131

212

8.311

cm

Kgffa

226

cm

Kgffa

Ksifa 369.0

fa < Fa

0.369 < 21.6 Ok

2.3.7 DISEÑO DE LA PLACA BASE DE LAS COLUMNAS

Fig. N° 2.42 Nomenclatura de la placa base.

Se asume:

H = 35.00 cm y B = 25 cm

Con:

d = 20.80 cm y b = 10 cm

132

Las dimensiones de H Y B anteriores se asumen para permitir soldar tanto la

sección de la columna como las varillas del plinto en la placa base.

El esfuerzo permisible a flexión según las recomendaciones de la AISC es:

Fb = 0.75 Fy

Para el acero ASTM A-36

Fb = 0.75 (36000)

Fb = 27000 Psi

Fb = 1902.28 2cm

Kgf

El esfuerzo permisible en el concreto por aplastamiento es Fc = 0.25f’c. [4]

Para un concreto f’c = 210 2cm

Kgf ; se asume este valor ya que es la

resistencia que se logra con el proporcionamiento más común del concreto.

Fc = 0.25 (210)

Fc = 52.50 2cm

Kgf

(4) PARKER, H: Diseño Simplificado de Concreto Reforzado, capítulo 4, Pág. 80.

133

El esfuerzo aplicado sobre el concreto es:

Fc = A

P

Fc = cmxcm

Kgf

2535

2.853

Fc = 2

975.0cm

Kgf

Entonces

fc < Fc

0.975 < 52.5 Ok

Para el diseño de la placa base se supone que está sometido a un esfuerzo

uniforme, que se comporta como una viga en cantilever fija en los bordes de un

cuadrado limitado por las dimensiones 0.95 d y 0.8b.

Valores de m y n en la placa base

m = xdH 95.02

1 Ecuación (2.25)

m = 80.2095.0352

1

m = cm62.7

134

n = bB 80.02

1 Ecuación (2.26)

n = 1080.0252

1

n = cm5.8

Momentos sobre la placa

M =

12

2

xLW

Ecuación (2.27)

L es igual a m para el momento M1 y

L es igual a n para el momento M2.

M1 = 2

62.7975.02

M1 = 28.3 Kgf.cm

M2 = 2

5.8975.02

M2 = 35.2 Kgf.cm

M2 > M1

135

Esfuerzo a flexión en la placa

fb Fb

S

Mfb

6

2btS

en la placa debe cumplirse fb Fb

Donde:

t = bFb

M6 Ecuación (2.28)

t =

12.1902

2.356x

t = 0.33 Se usará 0.4 cm

Se usará una placa de 35 cm x 25 cm, con un espesor de 0.4cm.

136

2.3.8 DISEÑO DE LARGUEROS

El diseño de los largueros se simplifica, suponiendo como una viga continua

sobre tres apoyos sometidos a una carga vertical uniformemente distribuida

debido a las cargas muertas y vivas como se observa en la figura.

Fig. N° 2.43 Esquema del larguero

De acuerdo al código de la AISC cuando los largueros están sometidos a carga

en un solo sentido se aplica la siguiente condición.

fb Fb

Donde:

S

Mfb Ecuación (2.29)

AfLd

Cbxfb

31012

137

donde:

L = distancia entre secciones no arriostradas en los largueros

d = peralte del larguero

Af = área del patín del larguero

Cb = constante que depende de la variación del momento

Cb = 1.75 + 1.05 x (2

1M

M ) + 0.3 x (2

1M

M )2 2.30 AISC 1.5.7

2.3.8.1 DETERMINACIÓN DE CARGAS

Cargas muertas

Peso de la cubierta = 4.82m

Kgf (0.98)x(3) m2 = 14.11 Kgf

Peso del larguero = 4.95m

Kgf Perfil G 100x50x15x3

Carga viva = 70 2m

Kgf (0.98)x(3) m2 = 205.8 Kgf

Carga total por metro =

m

Kgf

m

Kgf95.4

3

8.20511.14

= 78.3

m

Kgf

138

Considerando para el análisis, al larguero como viga continúa sobre tres apoyos

se puede determinar el momento máximo Fig. 2.44.

L = 3 m = 118.11 pulg

d = 10 cm = 3.93 pulg

Af = (5cm x 0.3 cm) = 1.50 cm2 = 0.23 pulg2

Fig. N° 2.44 Esquema del diagrama de momento para una viga continúa

sobre tres apoyos

Para el tramo A – B

8

2

max

WLM Ecuación (2.30)

8

33.782

max

mm

Kgf

M

mKkfM .0875.88max

S = 19.60 cm3 Perfil G 100x50x15x3

139

360.19

.75.8808

cm

mKgffb

2426.449

cm

Kgffb

Ksifb 395.6

Para Fb

Con:

Cb = 1.75 + 1.05 (2

1M

M ) + 0.3 (2

1M

M )2 Ecuación (.31)

M1 = 0

M2 = 8

1 w L2

Cb = 1.75

Fb =

AfLd

Cbx 31012 Ecuación (2.32)

Fb = 10.4 Ksi

fb Fb

6.39 < 10.4 Ok

140

2.3.9 UNIONES SOLDADAS

2.3.9.1 COLUMNA A PLACA BASE

Carga cortante máxima

Qx = 206.28 Kgf

ESFUERZO PERMISIBLE EN LA SOLDADURA

Para filetes el menor de:

1.- Fv = 0.3 Ft Para el metal de soldadura y Ecuación (2.33)

2.- Fv = 0.4 Fy Sobre el metal base A.I.S.C. 1.5.3 Ecuación (2.34)

Con E-7018 y Acero ASTM A-36

Fv = 0.3 (70)

Fv = 21.00 Ksi

Fv = 0.4 (36)

Fv = 14.40 Ksi

Fv = 14.4 ksi

141

TAMAÑO MÍNIMO DE FILETE

Para:

e = 0.4 y e = 0.4 cm

tmin = lg16

3pu = 4.8 mm A.I.S.C. 1.17.2

Se usará t = 5.00 mm

LONGITUD DE FILETE NECESARIO

Con:

A

Qfv Ecuación (2.35)

A = L (0.707) t

23535.0

28.206

cmL

Kgffv

fv Fv

Fv = 14.4 Ksi

Fv = 1015 2cm

Kgf

142

L = )3535.0(1015

28.206

L = 0.57 cm

Se soldara L = 10 + 10 + 20 = 30 cm > 0.57 cm Ok

2.3.9.2 UNIÓN DE LA PLACA A LAS VARILLAS DE ANCLAJE

Esfuerzo permisible al cortante

Fv = 0.4 Fy A.I.S.C. 1.5.1.2.

Fv = 0.4 (2400)

Fv = 960 2cm

Kgf

Área unitaria de cada varilla

Au = 4

2 Ecuación (2.36)

143

Área total

At = Au (n) Ecuación (2.37)

Donde:

n = es el número de varillas

fv < Fv

Fv = nAu

P

)(

Ecuación (2.38)

n = FvAu

P

)( Ecuación (2.39)

Las varillas de anclaje son de 12 mm

Au = 4

)2.1( 2cm

Au = 1.13 cm2

Número de varillas n = )(AuFv

P Ecuación (2.40)

n = )13.1(960

28.853

n = 0.786

144

Se usarán 4 varillas para soldar la placa base 4 > 0.786 Ok

Fig. N° 2.45 Ubicación del perfil en la placa base y varillas.

Fig. N° 2.46 Esquema de la soldadura de las varillas a la placa base.

145

2.3.9.3 JUNTAS PATÍN – PATÍN

Se usarán soldaduras de ranura de penetración total en todas las secciones

necesarias

Fig. N° 2.47 Esquema de la soldadura de las juntas patín – patín.

En la sección C - C

Mmax = 770.34 Kgf.m

Nmax = 985.28 Kgf

Esfuerzos a tensión y a compresión

ft o A

Pfa

3.22

28.985fa

2

18.44cm

Kgffa

146

Esfuerzo por flexión

S

Mfb

)100(9.225

34.770xfb

20.341

cm

Kgffb

Esfuerzo total

f = ft + fb

f = 44.18 + 341.0

f = 385.18 2cm

Kgf

Esfuerzos permisibles

Para soldaduras de penetración total, tensión o compresión normal al área

efectiva, el esfuerzo permisible es igual al metal base AISC 1.5.3

Ft = 0.6 Fy

Ft = 1522 2cm

Kgf

385.18 < 1522

147

Con otras secciones y cargas a compresión, puesto que los esfuerzos

permisibles en la soldadura son igual al metal base, se cumple que.

ft < Ft Ok y

fa < Fa Ok.

2.3.9.4 JUNTAS ALMA - ALMA

Se usará soldadura de penetración total para todas las juntas alma - alma

necesariamente.

Fig. N° 2.48 Junta alma – alma.

Los esfuerzos en el alma son menores que los esfuerzos del patín, sea para

esfuerzos a tensión como para compresión.

148

Esfuerzos permisibles para ranura de penetración total

Los esfuerzos permisibles a tensión y compresión en la soldadura son igual al

metal base AISC 1.5.3

ft < Ft Ok y

fa < Fa Ok.

Los esfuerzos en el alma para cortante son pequeños

fv < Fv Ok

2.3.9.5 JUNTAS PATÍN - ALMA

Se usará filete alternados para la unión del patín con el alma (Fig. 2.52)

Sección en la base de la columna (A - A)

Fig. N° 2.49 Junta patín – alma

149

Filete mínimo t = 0.47 cm A.I.S.C. 1.17.2

Se usará t = 0.5 cm

Esfuerzos permisibles:

Fv = 14.4 ksi

Fv = 1014.8 2cm

Kgf

Flujo cortante en la unión del alma al patín

I

QJq Ecuación (2.41)

Donde:

Q = cortante

J = A (Y)

I = momento de inercia

J = ( 10 x 0.4) x

4.0

2

20

J = 41.6 cm3

Con:

Qmax = 206.28 Kgf

1004

)6.41(28.206 xq

cm

Kgfq 5.8

150

Flujo cortante admisible

tFvqadm )707.0( Ecuación (2.42)

5.0)707.0(8.1014 xxqadm

cm

Kgfqadm 18.355

8.5 < 355.18 Ok

Para otras secciones, los cortantes Qx son menores al crítico, se usarán filete

de t = 0.5 cm a lo largo de la columna y de la viga.

151

CAPÍTULO III

FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LA ESTRUCTURA

3.1 INTRODUCCIÓN

La construcción y montaje de una estructura metálica en los tiempos actuales así

como todas sus directrices técnicas tienen un solo objetivo, y es el de reducir al

máximo los riesgos imprevisibles cuyo efecto es directo en los altos costos

envueltos en la obra. Esto crea la necesidad de cumplir con los plazos previstos

en el cronograma – meta inicial, determinando así la mayor importancia de los

mecanismos de de planificación.

Este estudio enfoca la técnica de ampliar la planificación para coordinar las

diferentes actividades de la obra; y controlar la ejecución conforme a diseños,

especificaciones y planos elaborados certificados del proyecto, materiales,

equipos y todos los medios necesarios para la ejecución de los trabajos dentro de

los plazos programados.

152

3.2 FLUJO-GRAMA GENERAL DE LA FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LA

ESTRUCTURA

El proceso de fabricación y montaje en las actividades industriales para el tipo de

construcciones estructurales se les representan por medio de un flujo-grama, el

mismo que es utilizado por casi todas las compañías y profesionales

constructores.

Este proceso es sumamente importante para la culminación ideal de los proyectos

industriales. El elaborar un flujo-grama correcto es de mucha ayuda para la

optimización de recursos: humanos, tecnológicos y económicos, así como el

recurso tiempo.

La simbología utilizada en el flujo-grama elaborado para la construcción de la

Estructura Metálica para el Bar de la Facultad de Ingeniería Mecánica se indica a

continuación.

Almacenamiento

Actividad a ralizar

Transporte

Inspección

153

FLUJO-GRAMA DETALLADO DE FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LA ESTRUCTURA METÁLICA

Recepción

materiales

Descarga

materiales

Inspección

materiales

Transporte a

almacenaje temporal

Inspección

de corte

Corte

Transporte al

sitio de corte

Almacenamiento

temporal

Transporte al sitio

de prearmado

ALMAS DE COLUMNA Y VIGA PATINES DE COLUMNA Y VIGA RIGIDIZADORES PLACA BASE LARGUEROS

Almacenamiento

temporal

Transporte al

sitio de corte

Corte

Inspección

de corte

Transporte al sitio

de prearmado

Almacenamiento

temporal

Transporte al

sitio de corte

Corte

Inspección

de corte

Transporte al sitio

de prearmado

Almacenamiento

temporal

Transporte al

sitio de corte

Corte

Inspección

de corte

Transporte al sitio

de suelda en columnas

Almacenamiento

temporal

Transporte al

sitio de corte

Corte

Inspección

de corte

Transporte al sitio

de prearmado

Pintura

Transporte al

sitio de montaje

Prearmado

Transporte a soldadura

de los pórticos

Soldadura a

los pórticos

Inspección

de suelda

Transporte al

sitio de pintura

Pintura

Transporte

al montaje

Montaje de

los pórticos

Montaje de

los largueros

Sulda en

columnas

Transporte al sitio

de montaje de pórticos

Inspección

de montaje

soldadura final

de todo el pórtico

Pintura final de

todo el pórtico

Inspección

final

154

Para el proceso de fabricación es necesario distribuir técnicamente las áreas y los

espacios disponibles de acuerdo a las necesidades y volúmenes de las piezas o

partes a ensamblarse.

En el caso del bar, se hizo en una empresa de estructuras metálicas, donde facilitó

para la distribución de las actividades que interviene en el proceso constructivo

(Fig. N°3.1).

ALMACENAMIENTO

DESPACHOPINTURASULDA

ARMADO CORTE

Fig. N° 3.1 Distribución de actividades

3.3 FABRICACIÓN

3.3.1 TRAZADO

Para realizar un correcto trazado lo que se necesita es tener las coordenadas en

los ejes X y Y, con las que se dibujo en el plano y poder realizar las plantillas de

las sesiones que conforman el alma.

155

Pero para el trazado se dibuja la mitad del pórtico ya que la estructura es simétrica

y facilita su manipulación previa al proceso de armado.

3.3.2 PROCESO DE CORTE

En el proceso de corte para las distintas secciones se optó por algunos procesos

como se detallan a continuación.

El corte por cizallamiento se realizó mediante una máquina eléctrica que es

sometido al material grandes presiones este tipo de corte lo utilizamos para los

componentes rectos de la estructura como es el patín, placas base, unas partes

del alma y atiesadores. Este proceso se eligió por el gran ahorro de tiempo.

El corte mediante oxiacetilénico se realiza calentando las superficies, por medio de

llama producida en un mechero especial llamado soplete que es obtenida por la

combustión de acetileno con oxigeno, este proceso se realiza de manera manual o

semi - automatizado. Pero en este proyecto se utiliza manualmente para realizar

de acuerdo al diseño elaborado previamente a través de plantillas colocadas sobre

la plancha de acero que será señalada con una tiza refractaria para ir cortando por

las líneas trazadas siendo uno de los métodos mas útiles en el medio para el

corte de las planchas de acero en la fabricación de las estructuras metálicas. Este

156

proceso se utilizó para las partes curvas que unen la viga y la columna del pórtico

como también las circunferencias de la viga.

El corte por discos abrasivos de eje o tronzadoras es utilizado con frecuencia en

los talleres industriales y artesanales, para el proyecto se utilizo mediante una

amoladora que son cortados los componentes de la estructura como los largueros

y apoyos, después del proceso de corte se preparan las piezas para las juntas,

realizando biseles apropiados para cada una de ellas.

3.3.3 ARMADO

Una vez ya realizado el trazado y el corte, se preparan las partes para el armado,

realizando una respectiva limpieza, de las piezas para ubicarlas sobre el pórtico

trazado.

Verificando que las dimensiones y formas coincidan con las plantillas, realizando

un trazado en la mitad del patín con el objetivo de centrar el alma

perpendicularmente entre las dos partes, utilizando bases de apoyo, prensas

escuadras, nivel, etc.

Se procede a realizar los puntos de suelda que es la unión por soldadura entre

dos piezas de igual o de distintos materiales, por medio de una fusión de estos

157

materiales al calentarse, este proceso es muy utilizado para estructuras metálicas

ya que la mayoría de los materiales utilizados para este fin son soldables, la

facilidad de aplicación y el ahorro de tiempo en el montaje, en el proyecto se utiliza

la soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido, los mismos que permiten la

unión de las secciones para poder armar el alma con el patín y obtener la

sección I.

Ya obtenida la concentricidad y perpendicularidad así como la verificación de sus

dimensiones exactas se procede a la soldadura en su totalidad.

3.3.4 PINTURA

Este proceso es importante ya que de este depende evitar la corrosión de los

materiales metálicos de la estructura; pero el que se utiliza en el proyecto es el

más acogido en nuestro medio por la aplicación de aire comprimido y también es

el más recomendable para este tipo de estructura.

El proceso de aplicación debe ser el siguiente: limpieza de partículas (polvo),

desoxidante y desengrasado, aplicación de fondo industrial (anticorrosivo), aplicar

la pintura de acabado y dejar secar por lo menos 60 minutos al tacto.

158

3.4 MONTAJE

Para realizar el montaje de la estructura metálica se utilizó un poste - grúa que

contiene un tubo cuadrado, una polea compuesta en la parte superior, un gancho

de carga y tirantes posteriores móviles para poder mover al poste.

Se utilizó este método por el espacio físico que se disponía, ya que no se puede

ingresar grúas, plataformas hidráulicas o grúa montada sobre un camión al lugar

de construcción por que es muy pequeño el lugar donde se va a desarrollar el

montaje, debido a la disposición del mecanismo, su fácil instalación, económico y

ahorro de tiempo se optó por un poste grúa.

Para obtener un correcto montaje se procede a la nivelación de las placas base en

el replantillo que servirán de apoyo para las columnas del pórtico.

Una vez ya nivelada las placas se llevará el pórtico en los trazos realizados

anteriormente y se procede a realizar puntos de suelda, a su sujeción y nivelación,

para dar la perpendicularidad del pórtico.

El pórtico se lo llevó en una sola pieza por las condiciones físicas, tiempo, y la

económica que brinda este mecanismo ya que el proyecto no es tan grande para

montar de pieza en pieza.

159

Mientras tanto que para los largueros que son muy importantes para la fijación de

los pórticos fueron levantados por medio de cuerdas y así poder dar el paralelismo

y la perpendicularidad adecuada en la estructura metálica.

Cuando la estructura ya está nivelada se procede a rematar o dar el cordón de

soladura definitivo y repintar las partes que se han afectado por el calor de la

soldadura de las respectivas piezas.

Y por último se procede a una inspección final de toda la estructura metálica para

el Bar de la Facultad de Ingeniería Mecánica (UNITA), verificando las dimensiones

correctas y la calidad de la misma para obtener el visto bueno del Director del

Proyecto Profesional de Grado quien a la vez es el Director Técnico de la obra.

160

CONCLUSIONES

En el diseño estructural se distribuye y se dimensiona los elementos de la

estructura para que soporten satisfactoriamente las cargas a las que estarán

sometidas. El proyecto estructural consiste en la definición de las condiciones de

carga, análisis estructural (cálculo de esfuerzos y deflexiones), el diseño de los

elementos de la estructura, la preparación de planos de detalle y especificaciones

para la construcción de la obra. Los criterios generales que se emplean son:

En el diseño generalmente los esfuerzos no están muy cerca del factor 1, pero es

con el fin de darle una mayor resistencia a la estructura, ya que en algunos casos

no gobierna el diseño o la resistencia, sino la rigidez.

Cuando se diseña perfiles con factores de 0.6, 0.5 o menores, aparentemente está

un poco sobre dimensionado pero en cambio da la garantía de una estructura

rígida.

El diseño de este tipo de estructuras con placas armadas en frío es más laborioso

por que se deben hacer tantas comprobaciones de las relaciones de esfuerzos

combinados; pero si fueran perfiles laminados en caliente no se hiciera tanta

comprobación para su respectivo diseño.

161

El diseño no solo se basa en la resistencia, rigidez de los materiales y secciones

sino también en la facilidad constructiva debida a ésta, la estructura se diseñó con

pocas secciones, lo que llevó a minimizar el número de cortes y plantillas usadas

para la construcción.

La estructura construida es funcional y segura porque su diseño se realizó

basándose en métodos, suposiciones y normas nacionales e internacionales

reconocidos del diseño estructural.

Para el cálculo y diseño de este tipo de estructuras en Acero Estructural nos

dará la pauta para la realización de los diferentes proyectos de nuestra vida

profesional, con el aprendizaje de las estructuras metálicas que no son muy típicas

en la construcción y cálculo de las mismas con la ayuda de los diferentes

programas.

Los diferentes diseños han sido realizados basándose en los códigos y

reglamentaciones de los diferentes Códigos como: la AISC, Código Ecuatoriano

de la Construcción.

162

RECOMENDACIONES

Al igual que en los países más desarrollados, el constructor ecuatoriano está cada

vez más conciente de las ventajas de utilizar el acero como sinónimo de

versatilidad, rapidez, facilidad de ejecución y economía.

Esto ha generado en nuestro país un auge la producción de perfil de acero, y en

especial a motivado la necesidad de una mayor diversificación de estos, así como

nuevas tecnologías para mejorar la calidad de los mismos.

La seguridad se relaciona con la resistencia y la serviciabilidad por cuanto a la

estructura además de resistir las cargas, se debe tener deflexiones y vibraciones

que no sean excesivas para alarmar a sus ocupantes o producir efectos no

deseables.

La facilidad es el diseño de estructuras que puedan fabricarse y montarse sin

problemas, para lo cual es importante el conocimiento sobre el detallado, esto es

las tolerancias y márgenes en el trabajo de taller y campo.

En lo que se refiere a la estructura se debe dar el respectivo mantenimiento para

así lograr que se encuentre en estado óptimo de conservación, para evitar la

corrosión y desgaste de lo elementos, puesto que la acumulación de los diferentes

163

materiales que se pueden dar en posibles erupciones volcánicas y acumulación de

granizo.

Es recomendable, utilizar la estructura metálica por su fácil transportación ya que

la misma fabrica o taller de adquisición se encargará de esto y con los planos

respectivos se puede trabajar y dejar listo para su anclaje, para luego trasladar al

sitio de la obra.

Y por ultimo la Universidad Ecuatoriana debe presentar un papel de liderazgo

fundamentando los estudios e investigaciones encaminadas en ese sentido y

actualizando sus cátedras de tal forma que el profesional ecuatoriano este al día y

pueda a su vez participar en ese desarrollo.

164

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diseÑo y construccion de estructuras metalicas

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