DISEO DE ESTRUCCTURAS DE ACERO2 de abril de 2013

DISEO DE ESTRUCCTURAS DE ACERO2 de abril de 2013

ESPECIFICACIONESUna especificacin es una norma que describe clara y concisamente los requisitos esenciales y tcnicos para un material, producto, sistema o servicio. Tambin indica los procedimientos, mtodos, clasificaciones o equipos a emplear para determinar si los requisitos especificados para el producto han sido cumplidos o no.ESPECIFICACIONES DE DISEOPara el diseo y construccin de la mayora de las estructuras el ingeniero o diseador se basa en especificaciones o normas, aun si estas no rigen un diseo, las tomara en cuenta como una gua. No importa cuntas estructuras haya proyectado, no es posible que haya resuelto todas las situaciones y, mediante las especificaciones, hace uso del mejor material disponible en el caso. A continuacin se presentan las especificaciones a las haremos referencia en el presente trabajo. American Institute of Steel Construction - AISC ( Instituto del americano de Construccin de Acero) American Welding Society AWS ( Sociedad Americana de Soldadura) American Society for Testing Materials - ASTM ( Sociedad Americana de Pruebas y Materiales )Para el clculo de la estructura nos vamos a regir bajo la norma AISC-ASD(Diseo por esfuerzo admisible Mtodo Elstico)ESPECIFICACIONES TCNICAS DE LOS MATERIALESACERO ASTM A 36DESCRIPCION Y DEFINICIONESEs un acero estructural al carbono, actualmente es el ms utilizado en construccin de estructuras metlicas, puentes, torres de energa, torres para comunicacin, edificaciones y otros; por su buena ductibilidad, soldabilidad y economa.

Fig. 2.2 Curvas de esfuerzo - deformacin para diferentes acerosA ms resistencia de acero menor soldabilidad y ms frgil, debido a su alto contenido de carbono.Caractersticas Qumicas y propiedades fsicas.

Tabla 2.2 Propiedades mecnicas y composicin qumica Acero A-36REFERENCIAS NORMATIVASLos perfiles estructurales son producidos conforme a las siguientes normas y especificaciones ASTM:

Tabla 2.3 Perfiles estructurales segn la norma ASTMPLACA COLABORANTE DE TUGALT

Fig. 2.3 Esquema de montaje de la placa colaboranteDESCRIPCION Y DEFINICIONESEs un producto destinado a la construccin de sistemas alivianados de entrepiso, con hoja metlica galvanizada de seccin trapezoidal rellena de hormign.La placa colaborante de TUGALT, se ha diseado de tal forma que esta funcione como un solo elemento compuesto de acero hormign en el momento del vertido, gracias a la utilizacin de conectores de cortante, lo cual garantiza la resistencia al entramado y elimina el exceso de vibracin en grandes luces.Ventajas de utilizar placa colaborante de Tugalt No es necesario el encofrado bajo la placa metlica El montaje e instalacin es simple y rpido, lo cual ahorra significativamente en costos de mano de obra Optimiza la utilizacin del hormign, con un volumen menor a la loza tradicional. Permite la fcil perforacin, bajo medida, para la colocacin de lneas de caera (agua potable, elctrica y sanitaria), esto resulta muy ventajoso ya que la reparacin y cambio de los ductos averiados, es muy fcil, sin necesidad de efectuar demoliciones extras, como en la losa convencional.REFERENCIAS NORMATIVASNormas Tcnicas: Steel deck Institute, Norma internaMateria Prima: Acero Galvanizado (ASTM A653) G90Propiedades Mecnicas:

Fig. 2.4 Especificaciones tcnicas de la placa colaborante de TugaltCARGAS DE DISEOEn toda estructura, es importante determinar el tipo de carga con cual trabajara el sistema estructural y la forma de manejar las mismas. Es recomendable calcular estas estructuras con uniones rgidas, ya que en la prctica se utiliza mucho la unin soldada, la misma que tiende a formar nudos rgidos, en los cuales las barras giran en conjunto, desarrollando en muchos casos grandes esfuerzos de flexin en las aristas del marco resistente o en los empotramientos.Las cargas que se han tomado en cuenta para el diseo de la estructura son las siguientes:CARGA MUERTA O CARGA PERMANENTESon aquellas que se mantienen en constante magnitud y con una posicin fija durante la vida til de la estructura; generalmente la mayor parte de las cargas muertas es el peso propio de la estructura. Consisten en los pesos de los diversos miembros estructurales y en los pesos de cualesquiera objetos que estn permanentemente unidos a la estructura, tales como: vigas, columnas, losas paredes y muros, cielos rasos, pisos, escaleras, cubiertas, equipos fijos y todas las cargas que no son causadas por la ocupacin del edificio. Son cargas que tendrn invariablemente el mismo peso y localizacin durante el tiempo de vida til de la estructura.LosasPara estimar el peso total por metro cuadrado de losa, se considero la misma como si se tratase de un bloque macizo de hormign de altura (ht) de 12 cm. figura 2.5, para calcular el peso se utilizo una densidad de 2400 kg/m2 para el hormign. Al realizar esta consideracin estamos incluyendo el peso de todos los elementos que conforman la losa entre los cuales estn: la placa colaborante y la malla electrosoldada, el cielo raso, las instalaciones elctricas y sanitarias y el recubrimiento de piso.Con estas consideraciones el peso por carga muerta o carga permanente correspondientes a la losa es de 290 Kg/m2 para todos los niveles excepto el ltimo nivel correspondiente a la segunda planta de penthouse para la cual la carga por losa ser de 240 Kg/m2 debido a que las cargas que estn aplicadas sobre esta losa son menores al resto de plantas

Mampostera Externa.La carga muerta causada por las paredes que componen la fachada de la edificacin se evalu como una carga por metro lineal aplicada sobre el elemento estructural que sirve de soporte en el borde de la losa, en este caso las vigas o como una carga concentrada en el extremo exterior cuando se trate de elementos en voladizo.Mampostera InternaLa carga muerta causada por las paredes internas que dividen los diferentes ambientes al interior de la edificacin se considero como una carga por metro cuadrado, la misma que se obtuvo considerando las dimensiones de la pared as como su densidad (1200Kg/m3), obteniendo una carga por lineal, la misma que al multiplicarla por la longitud correspondiente y dividirla para el rea de la losa sobre la cual est ubicada se obtiene la carga por metro cuadrado la cual se sumara al peso de la losa.Cargas sobre estructuras enterradasLas cargas muertas vienen dadas por el efecto del relleno que rodea y cubre la estructura, es decir estn en funcin del peso del suelo y la altura de rellenoA continuacin se presenta una tabla de densidades de los materiales ms utilizados en la construccin, la cual nos ayudara al momento de determinar el peso de los distintos elementos a considerar en el clculo de una estructura.

Tabla 2.4 Densidades de materiales para construccin.CARGA VIVASon aquellas cuyas magnitudes o posiciones, o ambos aspectos varan por causa del uso de la estructura. La posicin de una carga viva pueda cambiar, de modo que cada miembro de la estructura debe disearse para la posicin de la carga que causa el esfuerzo mximo en ese miembro.La carga viva se debe estimar, segn las condiciones de servicio de cada proyecto, a continuacin presentamos una tabla con las distintas cargas que pueden estar presentes en una edificacin, la misma que ha sido obtenida de forma experimental.

Tabla 2.5 Carga viva para edificacionesCARGAS AMBIENTALES.Se denominan as porque son aquellas cargas producidas por los efectos del medio ambiente y tanto su comportamiento como manejo es diferente a las anteriores, dentro de este grupo podemos encontrar las cargas ssmicas, las carga por viento y las cargas nieve o granizo.CARGA SSMICALos sismos producen cargas sobre una estructura por medio de la interaccin del movimiento del suelo y las caractersticas de respuesta de la estructura. Esas cargas resultan de la distorsin en la estructura causada por el movimiento del suelo y la resistencia lateral de sta. Sus magnitudes dependen de la velocidad y tipo de aceleraciones del suelo, as como de la masa y rigidez de la estructura.Las cargas ssmicas son cargas dinmicas que tambin pueden ser aproximadas a cargas estticas equivalentes. Los edificios pueden utilizar este procedimiento cuasi-esttico, pero tambin se puede utilizar un anlisis dinmicoEn nuestro caso al ser una localidad no propensa a sufrir tales efectos, las resultantes debido a la accin ssmica se consideraron como fuerzas horizontales aplicadas a cada nivel de piso o cubierta.CARGA POR VIENTOLas cargas del viento se producen por el flujo de este ltimo alrededor de la estructura, las magnitudes de las cargas del viento que pueden actuar sobre una estructura dependen de la ubicacin de esta, del rea expuesta y de su configuracin geomtricaLa presin ocasionada por el viento es proporcional al cuadrado de la velocidad y debe ser calculada, principalmente, en las superficies expuestas de una estructura.CARGA POR GRANIZO O LLUVIADebido al ngulo pronunciado, que tienen las cubiertas metlicas, no se puede estimar con precisin el peso del agua lluvia, pero es muy importante la consideracin del peso de granizo, el mismo que puede acumularse peligrosamente por de la canaletas de desage, ocasionando la falla del sistema estructural cubierta, iniciando por los elementos ms dbilesPara facilitar los clculos, el reglamento espaol Vizcaya, nos permite asumir una carga aproximada de 10 a 20 Kg/m2, pero ms aconsejable es determinar con medidas prcticas segn la realidad de cada zona.COMBINACIN DE CARGASEs muy importante considerar todas las cargas que en un momento dado podran llegar actuar simultneamente sobre la estructura, ya que esta debe resistir adecuadamente incluso la ms desfavorable de las combinaciones.METODO DE CLCULO Y DISEOLuego de determinar las cargas que actan en cada nudo de la estructura, establecemos el mtodo de clculo.ASD = Diseo por esfuerzo admisible (Mtodo elstico)LRFD = Diseo por coeficiente de carga y resistencia (Mtodo plstico)Para ello la ciencia ha establecido las formulas para la combinacin de cargas, a el fin de determinar las condiciones ms desfavorables para el diseo.As tenemos para el mtodo ASD (Diseo por esfuerzo Admisible):1) D2) D + L + (Lr o S o R)3) 0,75 (D + L + (Lr o S o R) + T)4) D+A5) 0,75 (D + (W o E))6) 0,75 (D + (W o E)+ T)7) D + A + (S o 0,5* W o E)8) 0,75 (D + L + (Lr o S o R) + (W o E))9) 0, 75 (D + L + W o 0,5S)10) 0, 75 (D + L + 0,5W o S)11) 0,66 (D + L + (Lr o S o R) + (W o E) + T) Manual Tcnico de Tugalt para estructuras metlicas, pg. 10SiendoD = Carga permanente o muertaL = Carga viva de piso, incluye el impactoLr = Carga viva de techoA = Carga proveniente de gras o sistemas de manejo de materialesS = Carga de nieveR = Carga lluviaW = Carga de vientoE = Carga ssmicaT = Cargas especialesPara el mtodo LRFD (Diseo por coeficiente de Carga y Resistencia) tenemos:1) 1,4 D2) 1,2D + 1,6L + 0,5(Lr o S o R)3) 1,2D + 1,6 (Lr o S o R) + (0,5L o 0,8 W)4) 1,2D + 1,3W + 0,5L + 0,5 (Lr o S o R)5) 1,2D + 1,5E + (0,5L o 0,2 S)6) 0,9D - (1,3W o 1,5E)ESTRUCTURA PROPUESTAPara iniciar el diseo preliminar de la estructura y posteriormente el clculo de la misma, partimos del diseo arquitectnico del edificio, tomando como referencia la ubicacin de los ejes sobre los cuales se levantan las columnas.

Grafica tomada del programa etabsLA ESTRUCTURA DEL EDIFICIO EST DISPUESTA DE LA SIGUIENTE MANERA:En las siguientes figuras se muestra esquemas de cmo estn dispuestos los prticos en ambos sentidos, tomando como referencia los ejes sobre los cuales se levantan las columnas.

Grafica tomada del programa etabs

DETERMINACIN DE LAS CARGAS EN LAS LOSASPara estimar la carga que acta sobres las distintas losas se consideraron las siguientes cargas:Carga Viva: Se considera segn las condiciones de servicio para las distintas plantas de acuerdo con las tablas 2.5Carga muerta: Como carga muerta se considero la correspondiente al peso de la losa y las paredes internas como ya se explico anteriormente cuando mencionamos las cargas de diseo en la seccin 2.3Para calcular las cargas por paredes internas se consideraron los siguientesDISEO DE LA EDIFICACIONObtencin de las cargas vivas que se emplearan en el diseoPara la obtencin de las cargas vivas se regirn a las normas establecidas por el cdigo ecuatoriano de construccin que se detallan en la edificacin.Carga Viva

Son aquellas cargas producidas por el uso y ocupacin de la edificacin, las cargas vivas que se utilicen en el diseo de la estructura deben ser las mximas cargas que se espera ocurran en la edificacin debido al uso que esta va a tener; a continuacin se anotan algunas cargas recomendadas para utilizarlas como sobrecarga.

Pisos Segn su Uso

Pisos en lugares de habitacin residencias, departamentos, viviendas, cuartos de hotel y similares 200 Kg/m

Dormitorios de internados de escuela, cuarteles, crceles, hospitales, correccionales y similares 200 Kg/m

Pisos en lugares de reunin Templos, salones de espectculos, teatros, cines, auditorios, etc. 350 Kg/m

Gimnasios, arenas, plazas de toros, estadios, salones de baile, pistas de patinar y similares 450 Kg/m

Bibliotecas, museos, aulas, baos pblicos, restaurantes, salas de espera, salas de juego,casinos 300 Kg/m

Pisos en lugares de uso pblico

Pasillos, escaleras, rampas, banquetes, pasajes, lugares donde existe aglomeracin de personas 500 Kg/m

Garajes, lugares de estacionamiento de vehculos y similares 350 Kg/m

Pisos en lugares de trabajo

Despachos200 Kg/m

Oficinas200 Kg/m

Laboratorios300 Kg/m

Pisos para comercio al mayoreo

Ligeros300 Kg/m

Semipesado450 Kg/m

Pesado500 Kg/m

Pisos para comercio

Ligeros350 Kg/m

Semipesado450 Kg/m

Pesado550 Kg/m

Pisos en fabricas, talleres

Ligeros400 Kg/m

Semipesado500 Kg/m

Pesado600 Kg/m

Pisos en bodegas

Ligeros250 Kg/m

Semipesado550 Kg/m

Pesado450 Kg/m

Azoteas100 Kg/m

Entonces tenemos que para el caso de nuestra edificacin se utilizara las siguientes cargas vivas.Cargas vivas par el nivel +2,70 m = 200 Kg/m ResidenciaCargas vivas par el nivel +5,40 m = 200 Kg/m Residencia Cargas vivas par el nivel +8,10 m = 150 Kg/m Para la losa inaccesibleCALCULO DE LAS CARGAS MUERTASCalculo de las cargas muertas por motivo de losa y mamposteriasCalculo del peso de la losa para los niveles 2,70m y 5,40m en kg por m2

Material

fc =0,21Tn/cm

HA =2,4T/m

CALCULOS POR METRO CUADRADO

PESO DE HORMIGON LOSA =0,250T/m

PESO DEL MASILLADO =0,070T/m

PESO ENLUCIDO SUPERIOR =0,044T/m

PESO ENLUCIDO INFERIOR =0,044T/m

PESO ACABADOS CERAMICA =0,015T/m

PESO INSTA SAN-ELECT =0,012T/m

PESO PROPIO DE LOSA =0,435T/m

435,00Kg/m

MANPOSTERIA ( CEC ) =200Kg/m

CARGA MUERTA =715,00Kg/m

PESO DE VIGAS N.- 8,10 =51,52Kg/m

PESO DE VIGAS N.-2,70 ; 5,40 =52,95

Peso de losa en el nivel +8,10mEN UNA LOSA INACCECIBLE NO EXISTE PESO DE MANPOSTERIA ENLUCIDO SUPERIOR

PUEDE EXISTIR MASILLADO POR LO TANTO EL PESO EN LA EDIFICACION POR MOTIVO DE LA LOSA QUE ES CARGA MUERTA ES = 456 Kg/m

CARGA MUERTA TOTAL YA SUMADA EL PESO DE LAS VIGAS LOSA Y MAMPOSTERAS DE LOS TRES NIVELES.CARGA MUERTA TOTAL en el nivel +2,70m767,95Kg/m

CARGA MUERTA TOTAL en el nivel +5,40m767,95Kg/m

CARGA MUERTA TOTAL en el nivel +8,10m507,5Kg/m

PREDIMENCIONAMIENTO DE LAS COLUMNASLa combinacin de carga emplearse para el prediseo de las columnas y en s de la edificacin ser la siguiente descrita en el cdigo ecuatoriano de la construccin.1,4CM +1,7CV

CALCULO DEL PESO POR CARGAS DE LA EDIFICACIONRecordar que las cargas vivas las obtuvimos del cdigo ecuatoriano de la construccinNIVEL (m)CARGAPESO UNIDADPESO FINALUNIDAD

8,10CM507,5Kg/m 0,966 Tn/m

CV150Kg/m

5,40CM767,95Kg/m 1,415 Tn/m

CV200Kg/m

2,70CM767,95Kg/m 1,415 Tn/m

CV200Kg/m

Para el predimencionamiento de las columnas se utilizara el mtodo de las areas cooperantes.CALCULO DE AREAS COOPERANTES

# COLCOLUMNAAREA COPERANTE

1A17,50 m

2A213,50 m

3A36,00 m

4B116,25 m

5B229,25 m

6B313,00 m

7C18,75 m

8C215,75 m

9C37,00 m

GRAFICAS DE MOMENTOS EN las vigas Momentos de las vigas en el nivel +2,70 mMOMENTOS CALCULADOS POR EL SOFTWARE ETABS NONLINEAR V9.0.0 LOS MOMENTOS SE ENCUENTRAN EXPRESADOS EN UNIDADES DE TN-M

Momentos de las vigas en el nivel +5,40 mMOMENTOS CALCULADOS POR EL SOFTWARE ETABS NONLINEAR V9.0.0 LOS MOMENTOS SE ENCUENTRAN EXPRESADOS EN UNIDADES DE TN-M

Momentos de las vigas en el nivel +8,10 mMOMENTOS CALCULADOS POR EL SOFTWARE ETABS NONLINEAR V9.0.0 LOS MOMENTOS SE ENCUENTRAN EXPRESADOS EN UNIDADES DE TN-M

DISEO DE VIGAS.Una vez determinadas las cargas y los momentos que estn aplicadas sobre las losas de las distintas plantas se procedi a la diseo de las vigas. Para determinar la seccin de la viga se ha escogido las condiciones de carga ms desfavorables para cada una de las plantas, con esto se asegura que el perfil escogido soportara las cargas en los distintos tramos, ya que las condiciones de carga en el resto de los tramos de la estructura son menores.El mtodo utilizado para el clculo es el mtodo de pendiente deflexin el cual explicaremos a continuacin, y posterior mente se pre diseo las columnas en SOFTWARE ETABS NONLINEAR V9.0.0.

DISEO DE COLUMNAS.Una vez determinadas las cargas y los momentos que estn aplicadas sobre las losas de las distintas plantas se procedi a la diseo de las columnas. Para determinar la seccin de la columnas se ha escogido las condiciones de carga ms desfavorables para cada una de las plantas, con esto se asegura que el perfil escogido soportara las cargas en los distintos tramos, ya que las condiciones de carga en el resto de los tramos de la estructura son menores.El mtodo utilizado para el clculo es el mtodo de pendiente deflexin el cual explicaremos a continuacin, y posterior mente se pre diseo las columnas en SOFTWARE ETABS NONLINEAR V9.0.0.

TABLA DE RESUMEN DE LOS ELEMENTOS A UTILIZARCE EN LA SUPER ESTRUCTURA

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES PARA LA EDIFICACIN El rea mnima de las columnas se an tomado de diseo del programa etabs y siguiendo las normas de acero de AST-A36, esto por lo que establece el cdigo ecuatoriano de la construccin para edificaciones construidas en zonas ssmicas (zona V). Por ningn motivo se podr cambiar la resistencia del concreto o la fluencia del acero mucho menos el acero calculado para las zapatas o algn elemento estructural. No es recomendable combinar mucho el acero en las zapatas con el fin de cumplir la cantidad necesaria ya que este puede trabajar de diferente forma por ser de distinto dimetro, si se lo hace consultar con el diseador.UNACHPgina 18

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