proyecto bsico: diseo de la estructura de correas

Proyecto básico: Diseño de la estructura de correas SS049a-ES-EU

Proyecto básico: Diseño de la estructura de correas

Se facilita la información necesaria para el diseño de la estructura de correas de un edificio de pórticos de acero. Se proporcionan los detalles de la interacción entre correas y cubierta.

Índice

1. Introducción: Función de las correas 2

2. Diferentes tipos de correas 5

3. Interacción entre correas y cubierta 9

4. Correas continuas 13

5. Conexión de las correas a la estructura principal 18

6. Tirantillos y presillas 20

7. Características de las acciones 23

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1. Introducción: Función de las correas 1.1 Función básica La función principal de las correas de cubierta, es transferir las fuerzas de la cubierta de un edificio a su estructura principal. Las correas de fachada cumplen la misma función en las fachadas. Las correas son componentes importantes en la estructura secundaria de un edificio.

Hay que señalar que en un gran número de estructuras de edificios de una sola planta, el peso de las correas, constituye un elemento importante en términos del peso total de la estructura (15 a 20%); el no optimizarlas, podría llevar a perder un contrato en un situación altamente competitiva.

Las correas de un edificio se diseñan de acuerdo al tipo de cubierta a utilizar. El tipo de cubierta, en particular, influye directamente en el espaciamiento entre correas; puede incluso, determinar el tipo de interacción que podemos esperar para dimensionar las correas (véase la Sección 3).

La estructura de correas no sólo incluye en las correas en si mismas (véase los diferentes tipos en la Sección 2), sino también en los empalmes que permiten tener continuidad en las correas (véase la Sección 4), los ejiones que unen las correas a la estructura principal (véase la Sección 5), tirantillos y presillas, que mantienen las correas lateralmente (véase la Sección 6).

Las cargas a considerar (véase mayor información al respecto en la Sección 7) son principalmente:

el peso de la cubierta, las correas y sus accesorios;

el peso de cualquier equipo soportado por la cubierta;

la sobrecarga suspendida interiormente (por ejemplo, el sistema de rociadores, iluminación, etc.);

la carga para mantenimiento de la cubierta;

nieve;

viento.

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Bajo cargas ortogonales a la inclinación de la cubierta(viento, cargas ascendentes o descendentes), la correa está sujeta a flexión alrededor del eje principal de inercia de su sección.

Bajo cargas gravitatorias (peso propio, nieve,mantenimiento, etc.), la correa está sujeta a flexiónalrededor del eje principal, y a flexión lateral del alasuperior (donde se aplica la carga) la cual puede o nodesarrollarse, dependiendo de la función que cumple lacubierta.

Figura 1.1 Cargas sobre la correa

Nota: En la Figura 1.1, la correa está representada con el alma perpendicular a la inclinación de la cubierta, que es el caso más habitual. Es muy raro que las correas se utilicen con el alma vertical: esto significaría colocar la cubierta sobre cuñas con bisel.

1.2 Correas como puntales En adición a la función principal descrita anteriormente, las correas pueden cumplir la función de transmitir la carga de viento desde los hastiales a la viga de contraviento (si la viga de contraviento no está situada en el paño adyacente a los hastiales) (véase la Figura 1.2.).

En adición a la flexión originada por su principal función, las correas están sujetas a fuerzas directas, ya sean de compresión o tracción, la cuales pueden ser excéntricas.

F1 F8

1

A

B 3

B B B

B B B

B B B

B B B

B B B

B B B

B B B

M

M

2

M

1 Dirección del viento 2 Doble correa en la cumbrera 3 Correas de alero

Figura 1.2 Cubierta de un edificio – Vista en planta

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En la Figura 1.2, las fuerzas representadas son las cargas aplicadas, bajo el efecto del viento, por los pilarillos que sostienen el hastial en la alineación F1, el cual se apoya en la cabeza en algunas correas. Bajo el efecto de estas fuerzas, las correas trabajan como puntales a compresión, las cuales están dibujadas en azul y marcadas con B. Las correas que trabajan como puntales de la viga de cubierta a contraviento están dibujadas en rojo y están marcadas con la letra M (véase la Sección 1.3).

Podría ser que, bajo la misma condición de viento (la misma dirección y sentido), la estructura que sostiene el hastial en el eje F8 (sotavento) ejerce una fuerza de tracción en las correas que la sostienen: este efecto no está representado en la Figura 1.2, pero debe incluirse, particularmente en el cálculo de la viga a contraviento.

Nuevamente, observamos en la cumbrera, entre los ejes A y B, una doble correa: una correa de cumbrera en la parte superior de cada alero, que es la distribución usual, la cual suministra la mejor forma de apoyar la cubierta.

Si queremos evitar que las correas trabajen como puntales, podemos colocar puntales separados entre las cabezas de los pilarillos que sostienen el hastial y la viga de contraviento (véase la Figura 1.3).

1

2

3 4

1 Correa-puntal 2 Viga del pórtico del hastial 3 Pilarillo del hastial 4 Puntal separado

Figura 1.3 Transmisión con o sin correa-puntal

1.3 Correas puntal de viga de viento Las correas pueden cumplir la función de trabajar como puntales de la viga de contraviento de la cubierta. Véase, en la Figura 1.2, las correas puntal de la viga de cubierta a contraviento, marcadas con la letra M y dibujadas en rojo. Las correas, al trabajar como apoyo de las vigas de contraviento, pueden estar muy comprimidas: las diagonales ubicadas en la forma de cruz de San Andrés, están normalmente dimensionadas así, sólo para resistir fuerzas de tracción, por esta razón, los puntales estarán comprimidos.

Si queremos evitar que las correas trabajen como puntales de la viga de contraviento, se pueden utilizar elementos separados (frecuentemente tubos) para cumplir esta función, particularmente cuando la fuerza de compresión en los puntales de la viga de contraviento es importante (zonas con grandes vientos, viga de contraviento con paños grandes)

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1.4 Estabilizar los elementos de la estructura principal Las correas de cubierta de un edificio, frecuentemente cumplen la función de proveer estabilidad lateral a los elementos de la estructura principal (viga de pórtico, por ejemplo).

Las correas pueden estabilizar el ala de la viga del pórtico (o el cordón de la viga de celosía) sobre la cual está apoyada (generalmente el ala superior de un pórtico interior del edificio). Todas las correas que se apoyan contra la viga de contraviento de cubierta pueden considerarse como puntos fijos; a fin de considerar las otras correas como puntos fijos, tenemos que considerar la cubierta actuando como un diafragma (véase mayor información en la Sección 3)

Las correas, también pueden utilizarse para estabilizar la parte inferior de la viga del pórtico (o el cordón inferior de la viga de celosía): se utilizan arriostramientos como los mostrados en la Figura 1.4.

Arriostramiento a un sólo lado: no se crea un apoyo adicional para la viga; el diagrama estático no se modifica. La viga está estabilizada mediante una fuerza que se origina por el ala que está sujeta.

Arriostramientos a ambos lados de la viga; la sostienen lateralmente, éstas crean un apoyo adicional a la viga. Las denominamos “vigas arriostradas”.

Arriostramiento del cordón inferior de la viga de celosía con arriostrado apoyado en la correa (arriostramiento en cruz de San Andrés)

Figura 1.4 Estabilización lateral de la estructura mediante correas

2. Diferentes tipos de correas Uno de los elementos de diseño de la estructura de correas es el tipo de correa seleccionado. Como regla general, la selección se hace entre vigas laminadas en caliente, frecuentemente IPEs, y correas conformadas en frío. Las correas a base de celosías se utilizan raramente.

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Esta selección, si se deja al constructor de la estructura de acero, está basada más en la organización de la producción que en una selección asociada con el diseño del producto. Tanto las correas IPE como las correas conformadas en frío, pueden en efecto, cumplir las mismas funciones.

Las correas conformadas en frío y los accesorios respectivos, frecuentemente están diseñados y fabricados por un fabricante especializado que cuenta con perfiladoras: el constructor responsable de la estructura de acero de un edificio adquiere las correas de alguno de estos fabricantes. Sin embargo, usualmente, las correas IPE las diseña y fabrica el constructor de la estructura principal. Uno de los criterios para elegir entre las dos opciones depende de la carga de trabajo del constructor en su taller: si está muy ocupado, preferirá comprar las correas conformadas en frío; si no, preferirá fabricarlas el mismo.

Cualquiera que sea el tipo de correa que se utilice, el tipo de cubierta determina el espaciamiento máximo entre correas. Los documentos que explican el comportamiento de los productos para cubiertas, generalmente proporcionan tablas para determinar la luz máxima libre (y de esta manera, el máximo espaciamiento entre correas) dependiendo de la carga en el vano.

El tipo de aislamiento térmico de la cubierta, si se instala dentro del edificio, puede influir en la elección de la correa: espaciamiento, canto mínimo de la sección, …

2.1 Correas laminadas en caliente (IPE) El rango de vigas IPE de poco canto (hasta aproximadamente IPE 240) se utiliza ampliamente para hacer correas.

En la Tabla 2.1, se dan pautas para la elección de una sección IPE, dependiendo de la luz de la correa (variando entre 5 a 10 m) y de la carga lineal por metro de la correa en ELS.

Estas pautas están basadas en el criterio de flecha de L/200 de la luz en ELS, y en el criterio de resistencia bajo una carga 1,5 veces la carga en ELS. El criterio de resistencia asumido cuando se alcanza la capacidad elástica bajo flexión simple de la sección considera lo siguiente:

Acero S235

No existe reducción del momento en el apoyo debido a la presencia de empalmes.

No se aplica fuerzas directamente en la correa (no cumple la función de puntal)

Coeficientes parciales de seguridad: γ = γ = 1,0 M0 M1

No se toman en cuenta las flexiones laterales

No existe pandeo lateral torsional

Las dos últimas suposiciones dependen, en particular, del método utilizado para la estabilización lateral de las correas (función de la cubierta: véase la Sección 3; correas acopladas: véase la Sección 6).

Por consiguiente, las opciones mencionadas en la Tabla 2.1 proporcionan una guía aproximada (de ninguna manera reemplazan los cálculos que justifican la resistencia de las correas).

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En la Tabla 2.1, la nota (f) distingue entre casos en los cuales el criterio de flecha conduce a la selección de una sección superior a la originada por el criterio de resistencia: esto ocurre sistemáticamente – o casi – en configuraciones “de correas estáticamente determinadas”, así como también en configuraciones “continuas” para grandes luces. Debe observarse que el criterio de flecha puede volverse predominante en la mayoría de casos con acero del tipo S355.

También podemos observar en la tabla que, haciendo las correas continuas, sistemáticamente da como resultado una reducción de la sección.

Tabla 2.1 Elección de una sección de correa en el rango IPE

Tamaño IPE, para sobrecarga

Luz 1,0 KN/m 1,5 KN/m 2,0 KN/m 2,5 KN/m

Estáticamente determinada IPE 100 IPE 120 (f) IPE 120 (f) IPE 140

5 m Continua IPE 100 IPE 100 IPE 100 IPE 120

Estáticamente determinada IPE 120 (f) IPE 140 (f) IPE 140 IPE 160 (f)


Estáticamente determinada IPE 140 (f) IPE 160 (f) IPE 160 (f) IPE 180 (f)





9 m Continua IPE 140 (f) IPE 160 (f) IPE 180 (f) IPE 180


10 m Continua IPE 160 (f) IPE 180 (f) IPE 180 IPE 200

Nota.: En la tabla, las correas continuas tienen por lo menos 4 apoyos. Leyenda -(f)-: El criterio de flecha gobierna el diseño. Nota: En algunos países, las correas IPE están diseñadas como un “sistema Gerber” con rótulas ubicadas de tal manera a fin de obtener momentos iguales en los apoyos y en el vano (generalmente una rótula en cada vano).

2.2 Correas conformadas en frío 2.2.1 Generalidades Generalmente, las correas conformadas en frío se fabrican perfilando una chapa de acero, un proceso de fabricación utilizado para obtener todas las formas posibles. Sin embargo, las principales formas de sección utilizadas para correas son las formas Σ (sigma) y Z (zeta).

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Z SIGMA

h

b

Figura 2.1 Secciones de correas conformadas en frío

Para formas Σ y Z, el rango de cantos y espesores es más o menos el mismo:

Canto h de la sección, entre 140 y 350 mm

Espesor del perfil laminado, entre 1,5 y 4 mm

Frecuentemente, la anchura del ala b, es alrededor de 70 mm. Debe notarse que para correas Z, las anchuras del ala superior e inferior difieren ligeramente, a fin de hacer que las correas sean continuas, encajándolas entre sí.

Mientras que para correas de secciones laminadas en caliente, la luz generalmente no excede de 10 m, para secciones conformadas en frío, la luz puede alcanzar hasta 12 o 15 m, permitiendo reducir el número de pórticos. Estos valores relativos a las luces pueden variar de un país a otro.

2.2.2 Sistemas propietarios Normalmente, las correas conformadas en frío, son suministradas como sistemas propietarios que vienen con especificaciones del fabricante. Los datos de diseño se calculan generalmente utilizando modelos empíricos basados en un amplio programa de ensayos. Estos ensayos toman en cuenta la dirección de la carga (hacia abajo o arriba) y la interacción entre la chapa de cubierta y las correas.

Cuando se utilizan sistemas propietarios, generalmente, es suficiente que el ingeniero estructural seleccione la sección apropiada de las tablas o software carga/luz del fabricante sin realizar verificaciones de diseño adicionales de la resistencia de la correa. Este enfoque se justifica por el hecho de que los fabricantes han efectuado ellos mismos la necesaria evaluación estructural (por análisis, ensayos, o una combinación de análisis y ensayos) en concordancia con los códigos, normas y regulaciones pertinentes.

2.3 Correas en celosía Son utilizadas en pocas ocasiones.

Las correas en celosía con cordones paralelos pueden diseñarse, como se muestra en la Figura 2.2. Los principales problemas involucrados en el diseño de este tipo de correas, son los asociados al diseño de toda viga de celosía:

Control de momentos flectores secundarios causados por:

La continuidad de barras o el extremo restringido de barras.

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Cualquier excentricidad en los diagramas de las fuerzas internas.

Cargas aplicadas entre nudos.

Control de movimientos adicionales debidos a la holgura en las uniones atornilladas

La razón L/H es aproximadamente 15.

L

H

Figura 2.2 Correa en celosía

En la sección de correas en celosía, se puede clasificar la vigas triangulares que sostienen una cubierta en dientes de sierra (véase la Figura 2.3), extendiéndose entre las vigas principales de celosía: este diseño aún se utiliza en talleres (por ejemplo: industria automotriz). En la cara norte, la cubierta de vidrio inclinado proporciona iluminación efectiva natural.

N

1

3 42

1 Correa en celosía 2 Cubierta de vidrio 3 Cubierta opaca 4 Viga de celosía principal

Figura 2.3 Correa en celosía en cubierta de dientes de sierra

3. Interacción entre correas y cubierta Otro parámetro principal en el diseño de la estructura de correas es la función que cumple la cubierta, ¿puede utilizarse la cubierta para estabilizar las correas lateralmente?

Es importante que la opción seleccionada sea claramente definida en la documentación contractual, particularmente si la construcción de la estructura de acero, por un lado, y la de la cubierta, por otro, se encargan a diferentes compañías (lo cual es frecuente en ciertos países, especialmente Francia) Tal esclarecimiento en el contrato, permite a todos aquellos involucrados, tomar las mismas suposiciones.

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3.1 Caso en donde la cubierta está hecha con chapas de acero, combinadas o no con otros materiales, y atornillada a las correas

La estabilización de las correas en cubierta se trata en el Eurocódigo EN 1993 1-3.

Si la documentación contractual excluye tal uso para la cubierta, la construcción se denomina de “clase 3”, según la norma EN 1993 1-3. Sin embargo, si el contrato especifica dicho uso para la cubierta, la construcción se denomina de “clase 2”. Para mayor información, en una construcción de “clase 1”, la cubierta se utiliza para la estabilización de toda la estructura (no es el caso contemplado aquí).

En una construcción de clase 3, no importando el tipo de correa (secciones laminadas en caliente – IPEs – o correas conformadas en frío):

La componente de las cargas de gravedad paralela a la pendiente del alero (véase Figura 1.1) es tomado por la flexión lateral del ala superior de las correas.Lo que es necesario es controlar los esfuerzos y desplazamientos originados por la flexión, proporcionando un número suficiente de tirantillos (véase Sección 5). La magnitud de estos desplazamientos laterales debe ser limitada estrictamente, a fin de que sean compatibles con la suposición de que las fuerzas no se transmiten al plano horizontal de la cubierta (por ejemplo, 1/500 de la distancia entre tirantillos).

Las correas deben ser estables bajo pandeo lateral torsional (y pandeo si cumplen la función de puntales) sin necesidad de recurrir a la cubierta.

En una construcción de clase 2:

La componente de las cargas de gravedad a lo largo de la pendiente de la cubierta, se transmite a través de la cubierta directamente a la estructura principal (pórticos, por ejemplo) sin someter las correas a flexión lateral.

Las correas se mantienen, bajo pandeo lateral torsional, mediante la cubierta:

Se proporciona un apoyo rígido contra pandeo lateral torsional cuando la cubierta se atornilla, únicamente, al ala en compresión (caso general: ala superior de las correas en compresión bajo momento positivo)

Se proporciona un apoyo semi-rígido contra pandeo lateral torsional cuando la cubierta no sólo se fija al ala en compresión (caso general: ala inferior de las correas en compresión bajo momento negativo) Este apoyo semi-rígido se produce por la restricción en el extremo de la correa con la cubierta (véase la Figura 3.1).

La cubierta cumple una función estructural:

La parte responsable del diseño de la estructura de la correa también debe tener en cuenta la estabilización de las correas por medio de la cubierta al definir las fuerzas producidas en el plano horizontal de la cubierta (trabajando como diafragma).

La parte responsable del diseño de la cubierta debe considerar estas fuerzas de interfase, para justificar la resistencia del producto suministrado y sus uniones.

El propietario del edificio es responsable de no utilizar uniones en el edificio, lo cual podría alterar la resistencia de la sección horizontal de la cubierta, tal como ha sido considerado en el diseño de la correa.

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Está claro que la estabilización de las correas mediante la cubierta permite importantes ahorros de costos en las correas debido a que se obtienen secciones más pequeñas y una menor cantidad (o eliminación) de tirantillos.

Este beneficio se logra a expensas de la introducción de fuerzas de interfase en el plano horizontal de la cubierta. En la mayoría de casos, estas fuerzas no influyen en el dimensionamiento de la cubierta (usualmente son bajas con respecto a la resistencia de la cubierta en el plano horizontal). Sin embargo, debería prestarse particular atención, a la resistencia de los puntos de conexión entre el diafragma de la cubierta y la estructura principal (véase la Sección 5) donde la transmisión de fuerzas en el plano horizontal de la cubierta están concentradas.

Debe tenerse en cuenta el cambio en el “status” de la cubierta, que toma un rol estructural.

Nota: La estabilización de las correas mediante una cubierta de chapas de acero perfiladas ha sido utilizada durante mucho tiempo, porque físicamente es indiscutible que tales cubiertas, en su plano horizontal, son significativamente más rígidas que las correas en su dirección lateral. Con la clasificación definida en el Eurocódigo EN 1993 1-3, el uso de esta cubierta es explícita.

1

2 3

1 Conectores correa-cubierta, ubicados alternadamente a cada lado del alma 2 Fuerza de estabilización (pandeo lateral torsional) 3 Ala inferior comprimida (bajo momento negativo) La rigidez global de la restricción depende de la rigidez del alma de la correa a flexión, la rigidez de la cubierta flectada y la rigidez local de la conexión correa-cubierta. Esto puede determinarse experimentalmente o utilizandolos procedimientos dados en el Eurocódigo 3, parte 1-3 (EN 1993-1-3).

Figura 3.1 Estabilización del ala inferior mediante la restricción de extremo correa-cubierta

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2

3 1

4

5

1 Diafragma 4 Fuerzas 2 Cumbrera 5 Elevación del pórtico 3 Parte inferior del alero Cada correa estabilizada transmite fuerzas de interfase a la cubierta. Los paños de cubierta forman un diafragma que se apoya en dos pórticos (estructura principal) la cual sirve como límite: la función de este diafragma estransmitir todas las fuerzas de interfase aplicadas a éste, mediante las correas, a la estructura principal, sin que las correas se flecten lateralmente. Debe asegurarse que la conexión diafragma - estructura principal sea suficientemente resistente. La carga en el plano de la cubierta está representada por sólo un paño, el cual está limitado por dos vigas.

Figura 3.2 Vista en planta de un alero - diafragma básico entre pórticos

3.2 Otros materiales Para otros materiales utilizados en la cubierta, que tengan un comportamiento similar al de las chapas de acero, se puede utilizar un enfoque similar.

Los materiales translúcidos (cubiertas semi-transparentes) utilizados en edificios industriales para tener luz natural, usualmente no se consideran adecuados para estabilizar las correas.

Si se desea mantener la función diafragma de la cubierta, hecha principalmente con chapas de acero perfiladas atornilladas, en las cuales están incorporados los elementos translúcidos, deben tenerse en cuenta las siguientes especificaciones:

No se deben colocar chapas translúcidas en una franja a menos de 1 metro a cada lado del eje central del pórtico o de la viga que sostiene a las correas.

Las correas de las cumbreras y de la parte baja del alero no pueden utilizarse como apoyo de las chapas translúcidas.

Todas las chapas translúcidas están soportadas sólo por 2 apoyos y están siempre insertadas a lo largo del alero entre 2 chapas de acero.

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4. Correas continuas 4.1 Flechas, momentos y fuerzas de reacción en los

apoyos El hecho de tener una correa de cubierta continua en 3 o más apoyos, altera considerablemente los esfuerzos y las flechas.

Para una correa bajo flexión uniaxial (alrededor de su eje de inercia principal):

Flecha máxima bajo una carga uniformemente distribuida q: Correa estáticamente determinada, en 2 apoyos simples: f0 = 5 q L4/(384EI)

Correa en 3 apoyos, continuidad perfecta: f = 0,4 f 0

Correa en 4 apoyos o más: f = 0,5 f 0

Considerar que una correa, sujeta a carga uniformemente distribuida, sea continua, permite que su flecha sea la mitad (comparada con una correa apoyada en dos apoyos).

Momento máximo bajo carga uniformemente distribuida q: Correa estáticamente determinada, sobre 2 apoyos simples:

M0 = q L2/8

Correa sobre 3 apoyos, continuidad perfecta:

M = -Mmin 0 (en el apoyo central)

M = 0,56 Mmax 0 (en el tramo)

Correa en 4 apoyos o más:

M = -0,84 Mmin 0 (en el primer y último apoyo intermedio)

M = 0,63 Mmax 0 (en tramos interiores)

Haciendo que una correa sea continua en por lo menos 4 apoyos, reduce el valor absoluto del momento principal de flexión.

Fuerza máxima de reacción en el apoyo bajo carga uniformemente distribuida q: Apoyo que recibe una correa estáticamente determinada en cada lado: R = q L 0

Correa sobre 3 apoyos, en el apoyo central: R = 1,25 R 0

Correa sobre 4 apoyos o más, en el 1er apoyo intermedio: R = 1,1 R 0

Considerando las correas continuas se incrementa la fuerza de reacción de las correas en algunos apoyos. Esto debe tenerse en cuenta cuando se dimensiona las estructuras de apoyo (pórticos, por ejemplo).

De lo anteriormente explicado, se pueden inferir las siguientes conclusiones:

Hacer la correas continuas es particularmente ventajoso cuando el criterio predominante es la flecha, por consiguiente, es conveniente para paños largos (encima de 6 m. aproximadamente)

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Si las correas son continuas a lo largo de todo el edificio, la fuerza de reacción en el primer y último apoyos intermedios se incrementa con respecto a la distribución estáticamente determinada.

Si las correas se hacen continuas por tramos a lo largo del edificio, se debe buscar minimizar el incremento de la fuerza en ciertos pórticos, moviendo los apoyos con fuerzas de reacción incrementadas de una línea de correa a otra (especialmente si las correas se han hecho continuas en tramos dobles).

Nota: En algunos países, las correas IPE se denominan “sistema Gerber” con rótulas ubicadas de tal manera, con el fin de tener momentos iguales en los apoyos y en los vanos (generalmente una rótula en cada vano).

4.2 Métodos para hacer las correas IPE continuas Es usual hacer las correas de sección laminada (IPEs) continuas mediante uniones atornilladas.

Son posibles dos tipos de uniones:

Uniones en las cuales las fuerzas transmitidas son perpendiculares al eje de tornillos.

Uniones en las cuales las fuerzas transmitidas son paralelas al eje de tornillos.

En ambos tipos de uniones, es usual no utilizar tornillos pretensados, sino más bien los denominados tornillos “ordinarios”. Esto significa que en la primera familia de uniones, los tornillos actúan por cortante/aplastamiento (y en la segunda, los tornillos están trabajando a tracción).

Los empalmes utilizados generalmente en la práctica, utilizan tornillos por cortante/aplastamiento, como se muestra en la Figura 4.1.

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1 2

3

1 Unión de empalme en el apoyo: el caso más común. Verificar la compatibilidad de la unión empalme-ejión(véase Sección 5)

2 Unión de empalme desplazada con respecto al apoyo 3 Sección en U La continuidad se logra mediante una unión de empalme de las dos correas que se van a ser continuas: las alas no están conectadas porque al conectar el ala superior se impediría que la cubierta apoye en la correa;conectando el ala inferior se impediría que la correa apoye en la estructura principal si los empalmes decontinuidad se hacen en los apoyos. La unión de empalme es simétrica con respecto a la sección horizontal del alma (una unión de empalme a ambos lados): los tornillos trabajan en dos planos a cortante. Nota: Restringiendo el sobredimensionamiento de los huecos de los tornillos, se puede evitar tener sólo unacontinuidad parcial (véase el cálculo ilustrativo en la Sección 4.4)

Figura 4.1 Empalme continuo con tornillos actuando por cortante/aplastamiento

La continuidad se logra utilizando chapas de extremo soldadas a tope al final de cada correa y atornilladasconjuntamente. No se puede utilizar otros tornillos en el lado del ala superior porque impediría el apoyo de lacubierta. Los tornillos (dibujados en azul) pueden utilizarse sólo en el lado inferior del ala si la unión se ubica fueradel apoyo; esta configuración, sin embargo, es sólo de interés si el ala inferior está trabajando a tracción fuerte en la sección donde la continuidad se produce, lo cual es bastante raro. La configuración usual para uniones de chapas de extremo es sin tornillos exteriores. La continuidad lograda mediante uniones de empalme es más utilizada que las chapas de extremo porque suensamblaje es más fácil.

Figura 4.2 Continuidad utilizando chapas de extremo y tornillos trabajando a tracción

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4.3 Métodos para hacer continuas las correas conformadas en frío: casos en que las secciones Z se unen entre sí y las secciones Sigma se conectan con empalmes

En todos los sistemas de correas industrializados basados en secciones conformadas en frío la continuidad de las correas se hace en los apoyos, por facilidad de montaje.

La continuidad de las correas Z se logra uniendo una sección con otra:

T1

T2

T3

T4

R 1-2

L L L L

T1, T2, Sección 1, Sección 2, etc. R 1-2 Solape zonas 1-2

Figura 4.3 Continuidad de correas Z

El solape se logra haciendo las secciones más largas que la longitud del vano. En general, esta longitud adicional es aproximadamente 0,1 L después de cada apoyo (así, una sección típica tiene 1,2 L). Para los extremos de la sección generalmente se da un poco más de longitud, aproximadamente 0,15 L después del primer apoyo intermedio, debido al hecho de que el momento en este apoyo tiene el máximo valor absoluto (así, un extremo de sección tiene una longitud de 1,15 L).

La rigidez del conjunto, especialmente en casos de un solape corto, debe ser evaluada mediante ensayos (o experiencia).

La continuidad de correas Sigma Σ se logra mediante uniones de empalme.

Las conexiones de empalme son generalmente conformadas en frío, como las correas, pero utilizando chapas de acero de menor espesor (aproximadamente 4 mm). Este método de fabricación proporciona a las conexiones una forma perfectamente adecuada para su función y la continuidad se logra mediante los tornillos trabajando por cortante/aplastamiento (como se muestra en la Figura 4.1) y encajando la conexión de empalme en el alma de los perfiles Sigma.

Dada la forma de la sección de las correas, la unión de empalme se ubica a un sólo lado, con los tornillos actuando a cortante en un plano.

La rigidez del conjunto, especialmente en casos de un solape corto, debe ser evaluada mediante ensayos.

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4.4 Semi-rigidez de los empalmes continuos: cálculo simple que muestra el desarrollo de rotación debido a la holgura en uniones de empalme cortas

Se debe tener cuidado dado que el beneficio de las correas continuas puede perderse rápidamente si el empalme realizado entre dos secciones consecutivas no tiene suficiente rigidez. El Eurocódigo EN 1993-1-3 adicionalmente exige que cualquier semi-rigidez de este empalme debe tomarse en cuenta para calcular esfuerzos y flechas. Esta condición debe extenderse a todos los tipos de correas, ya sean IPE o conformadas en frío de espesor delgado.

Si se toma el ejemplo de una correa de 10 m en dos tramos, cuya continuidad es a base de uniones de empalme:

10 m

1000 mm

350 mm 10 m

Figura 4.4 Ejemplo: Correa de 2 tramos

La longitud total de la unión del empalme es 1 m (500 mm a cada lado del apoyo); la unión de empalme del conjunto en cada sección de la correa se logra con tornillos de 4 x 16 mm de diámetro, dentro de agujeros de 18 mm de diámetro (2 mm de holgura).

Esta holgura permite una rotación de 4/350 = 0,0114 rad, lo cual corresponde a la liberación, en cada apoyo, de un momento de 0,0114 (3EI/L).

Si se supone que cada correa ha sido dimensionada por el criterio de flecha de L/200 en el ELS, utilizando la suposición de continuidad perfecta:

L/200 = 2 qSLS L4 / 384EI → EI = 400 q L3 / 384 SLS

El momento liberado en cada apoyo es: 0,0114 x 1200 qSLS L2 / 384 = q L2 / 28 SLS

La flecha adicional en el tramo es aproximadamente: (qSLS L2 / 28)(L2 / 16) = q L4 / (448EI) SLS

De esta manera, la flecha se ha incrementado en un 43%, lo cual no se considera aceptable.

Se debe prestar atención en el control de cualquier holgura de los empalmes de continuidad.

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5. Conexión de las correas a la estructura principal

5.1 Función de las conexiones correa/estructura principal

La función de estas conexiones es transmitir las fuerzas aplicadas en la cubierta (todo lo que comprima la estructura de correas y cubierta) a la estructura principal.

Las fuerzas transmitidas tienen:

una componente perpendicular al plano del alero, hacia arriba o abajo

una componente paralela al plano del alero, generalmente en la dirección de la pendiente.

La componente perpendicular a la pendiente de la cubierta, origina flexión de la correa alrededor de su eje principal de inercia. La componente paralela a la inclinación de la cubierta es originada:

Por la flexión lateral del ala superior de la correa, si la cubierta no cumple una función estabilizadora.

O por la cubierta funcionando como un diafragma básico, si este cumple una función estabilizadora (véase la Sección 3)

5.2 Diferentes tipos de uniones La conexión correa/estructura principal se puede lograr ya sea:

(1) Atornillando directamente el ala inferior de la correa al ala superior de la viga principal (en general, la viga del pórtico)

O (2) mediante un ejión simple o doble

O (3) mediante un ángular doble al alma de la viga principal

La solución (2), mediante un ejión, es la más utilizada porque es la más fácil de ensamblar y también porque proporciona la rigidez requerida a la unión con respecto a las fuerzas paralelas a la inclinación de la cubierta. Adicionalmente, en el caso de correas conformadas en frío de espesor delgado, evitan el problema de desgarramiento del alma en el apoyo.

La solución (3) es usada raramente.

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1

2

3

1 2

3

Solución 1

: Atornillando directamente la correa al ala dela viga del pórtico. Bajo una fuerza ascendente, el alainferior de la correa se flexiona y los tornillos de fijaciónestán en tracción. Bajo el efecto de una fuerza paralela ala inclinación de la cubierta, el alma de la correa seflexiona.

Solución 2-a: Ensamblaje utilizando un ejiónsimple: el ejión está hecha de una banda plana; se dimensiona bajo el efecto de una fuerza ascendente y una fuerza a lo largo de la inclinación de la cubierta. Este tipo de fijación sólo es adecuada para fuerzas moderadas.

Solución 2-b: Ensamblaje utilizando un ejión doble: permite transmitir grandes fuerzas. Solución 2-c: Ensamblaje utilizando un ejión

doblemente rígido.

Nota : Debe prestarse atención a la compatibilidad entre el ejión y la unión de empalme, cuando los empalmes se localizan en los apoyos.

Solución 3: Ensamblaje utilizando angular doble para cada sección de correa para la conexión al alma de la viga portante (viga del pórtico).

Leyenda: 1 Cubierta 2 Correa 3 Ala superior de la viga del pórtico

Figura 5.1 Diferentes tipos de uniones correa / estructura principal

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Unión utilizando un ejión simple conformado para correas Sigma – la correa está “suspendida” para evitar la compresión local del alma – también utilizada para correas Z.

La misma unión, con ejiones rigidizados

Figura 5.2 Diferentes tipos de uniones correa / estructura principal para correas Sigma o Z

6. Tirantillos y presillas 6.1 Funciones de los tirantillos y presillas El acoplamiento de las correas cumple las siguientes funciones:

Durante el montaje del edificio, sirve para asegurar que las correas estén rectas antes de colocar la cubierta:

Para el ajuste correcto de la cubierta / correa (tornillos autoroscantes en la parte plana del ala de la correa)

Para obtener una apariencia satisfactoria de las correas vistas desde el interior del edificio

No alterar el comportamiento estructural de las correas

Durante el uso del edificio, mantener las correas lateralmente:

En conexión con la cubierta, si la cubierta cumple la función de diafragma para estabilizar las correas

Independientemente, si la cubierta no cumple una función estabilizadora (véase la Sección 3)

Mantener las correas lateralmente implica:

Restringir la longitud de la luz de la correa estabilizada (o su ala superior aislada) con respecto a las fuerzas laterales (a lo largo de la inclinación de la cubierta)

Restringir la longitud de pandeo lateral torsional bajo momento a flexión negativo y/o positivo

Restringir la longitud de pandeo lateral para correas comprimidas (aquellos que actúan como puntales)

A fin de cumplir con estas funciones correctamente, se debe crear un elemento estructural rígido en la sección horizontal de cada alero: los tirantillos solos, no son suficientes (los

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tirantillos solos compensan el desplazamiento lateral de las correas, pero no eliminan éste), deben ser unidos con “presillas”, las cuales forman una viga de celosía en el alero cuyos cordones son dos correas adyacentes, los puntales son los tirantillos y las diagonales son las presillas.

Esta viga de celosía esta formada generalmente en la parte superior del alero de tal forma que los tirantillos trabajen a tracción bajo cargas de gravedad, excepto por su sección superior (al nivel de la viga de celosía), las presillas también están ubicadas para que trabajen a tracción.

A lo largo de la longitud del alero, puede ser necesario ubicar una viga tirantillo intermedia: permite una serie de presillas a cada 15 m aproximadamente del alero.

Si la cubierta sirve como diafragma, la estabilidad de algunas correas puede justificarse sin la necesidad de usar tirantillos; sin embargo, estos últimos (o elementos equivalentes) son necesarios durante el montaje.

El espaciamiento aproximado entre tirantillos está dado por:

Luz de la correa menor a 6 metros: un tirantillo a la mitad del vano

Luz entre 6 y 8 metros: dos tirantillos ubicados a un tercio

Luz entre 8 a 10 metros: tres tirantillos ubicados a cada cuarto de luz

En los casos en que los tirantillos sólo se utilizan con propósitos de montaje (no necesariamente para resistencia de la cubierta ya instalada en su lugar), estos valores de espaciamiento pueden incrementarse de acuerdo a lo requerido en el montaje.

Los elementos descritos anteriormente se muestran en la Figura 6.1.

1

2

3 3

4

6

6

5

Leyenda: 1 Cumbrera 4 Tirantillos en los puntos ubicados a un cuarto de luz

del tramo 2 Parte inferior del alero 5 Presillas 3 Pórticos 6 Correas cordones de la viga tirantillo

Figura 6.1 Vista en planta de un alero

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6.2 Diferentes tipos de tirantillos Si se utilizan tirantillos, es importante que sean efectivos, principalmente en la fase de servicio del edificio en la cual se va instalar la cubierta: ¿se van a utilizar para mantener lateralmente el ala superior de las correas? ,¿el ala inferior?, ¿ambas alas?.

La función que se les da a los tirantillos depende de la función dada a la cubierta. Por ejemplo, si la cubierta cumple una función de diafragma (cubierta a base de chapas perfiladas, atornilladas en las correas), los tirantillos no necesitan cumplir la función de estabilizar el ala superior de las correas (donde la cubierta está atornillada) Si la restricción en el extremo correa / cubierta es suficiente, tampoco es necesario estabilizar el ala inferior mediante tirantillos.

Sin embargo, si la cubierta no cumple la función de diafragma, el acoplado de correas se utiliza para estabilización lateral:

ala superior: los tirantillos forman un apoyo para el ala superior con respecto a las cargas a lo largo del alero, y con respecto al pandeo lateral torsional de la correa bajo momento positivo (en un tramo bajo cargas en sentido descendente, sobre apoyos bajo cargas en sentido ascendente)

ala inferior: los tirantillos forman un apoyo para el ala inferior con respecto al pandeo lateral torsional bajo momento negativo (en un tramo bajo cargas en sentido ascendente, sobre apoyo bajo cargas descendentes)

A fin de ser efectivos, los tirantillos deben ser relativamente rígidos: una varilla roscada ubicada a medio canto del alma (como a veces se ve) es generalmente inefectiva, los tirantillos realizados con angulares o perfiles tubulares son una mejor opción. Son posibles otras soluciones, que dan una rigidez similar.

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Mantener el ala inferior – ala superior sujetas por la cubierta en su función de diafragma

Mantener ambas alas: el tirantillo es un angular, sujeto por un angular soldado en el tirantillo y 2 tornillos en la correa

Mantener ambas alas: el tirantillo es un tubo, continuo, a través de las correas

Mantener ambas alas: el tirantillo es un angular, sujeto por un angular soldado en el tirantillo y 2 tornillos en la correa

Figura 6.2 Diferentes tipos de tirantillos

7. Características de las acciones 7.1 Nieve La nieve es una de las cargas predominantes para dimensionar las correas de cubierta, particularmente cuando el peso de la cubierta en si mismo es bajo. El peso de la nieve a ser considerada en los cálculos depende de la zona en la cual el edificio se construye, la altitud de la zona y la forma de la construcción.

Se debe prestar particular atención al fenómeno de acumulación (distribución no uniforme de la nieve en la cubierta) asociada con la forma de las construcciones.

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a) b)

Figura 7.1 Acumulación de nieve en la cubierta

Figura 7.1 a) Construcción con la parte posterior elevada: la carga de nieve por m2 es mayor al pie de la parte posterior que en el resto del área en general. Si el espaciamiento de las correas se mantiene constante, las correas deben tener una mayor resistencia en el área donde la carga es mayor; a fin que la cubierta sea instalada correctamente, las correas deben tener el mismo canto.

Para correas conformadas en frío, es fácil obtener mayor resistencia con un canto constante del perfil: todo lo que se necesita es incrementar el espesor de la chapa utilizada para formar la correa.

Por otro lado, para correas IPE, generalmente, no es económico usar perfiles HEBs del mismo canto, es mejor adoptar una solución que hace que las correas estén más juntas cerca al área con la mayor carga.

Figura 7.1 b) El mismo fenómeno a lo largo de un parapeto (parte baja de un alero): en esta área, son necesaria correas con una mayor resistencia a espaciamiento constante, o correas más juntas.

7.2 Viento Levantamiento de cubierta en edificios abiertos

En un gran número de configuraciones comunes, la fuerza ejercida por el viento en la cubierta es una acción en sentido ascendente. Debe prestarse mucha atención a las aberturas en las paredes verticales del edificio, lo cual puede causar un incremento considerable en la fuerza ascendente. Una fuerza ascendente significativa en la cubierta tiene una gran influencia en el diseño de la estructura de la correa: compresión en el ala inferior de las correas en el tramo (restringida por pandeo lateral torsional), ejiones con grandes cargas, etc.

Fuerza descendente del viento en edificios con parte posterior en elevación

En algunos casos específicos, el viento puede causar una fuerza descendente significativa en una parte de la cubierta. Particularmente, es el caso de una cubierta con una parte posterior elevada.

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2

1

Leyenda: 1 Dirección del viento Área donde el viento ejerce una fuerza descendente en la cubierta. ¡Se debe prestar atención al efecto acumulativo de la nieve!

Figura 7.2 Fuerza descendente del viento sobre la cubierta

Correas comprimidas

Cuando el hastial de un edificio tradicional es golpeado por el viento (véase la Figura 1.2), las correas sirven como puntales o los puntales de las vigas contraviento están comprimidas.

Es importante durante el diseño estructural, que cualquier excentricidad en la transmisión de dichas fuerzas de compresión sea controlada.

1

5 4

3

2

6

1 Correa 4 Arriostramiento 2 Viga del pórtico del hastial 5 Excentricidad 3 Pilarillo del hastial 6 Viento Nota: Si se desea evitar someter los pilarillos del hastial a compresión, debe proporcionarse agujeros ranurados con una línea central vertical ancha en la conexión poste/viga.

Figura 7.3 Diseño de un hastial que genera un fuerte momento en la correa

7.3 Sobrecargas Cargas suspendidas

La forma en que se aplican las sobrecargas dentro de un edificio influye en el diseño de las correas.

Las cargas suspendidas del ala inferior pueden generar esfuerzos locales, los cuales deben restringirse en cuanto sea posible.

Las cargas gravitatorias tienen una componente a lo largo del alero que produce flexión lateral del ala inferior: para reducir esta flexión, deben pasarse estas cargas a los tirantillos próximos que estabilizan el ala inferior.

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Las cargas suspendidas del ala causan que esta ala se flecte (esfuerzo perpendicular a los esfuerzos generales en la dirección longitudinal, los cuales se acumulan en una combinación Von Misses).

Equipo colocado en la cubierta

Cuando se coloca equipo en la cubierta, las cargas producidas por su peso, obviamente deben tomarse en cuenta en el cálculo de la correa. La influencia que tienen las cargas climáticas en la cubierta también deben ser evaluadas (acumulación de nieve alrededor del equipo, fuerzas de viento locales, combinación de nieve + viento).

También es importante mencionar en esta sección, los lucenarios en forma de arcos, lo cual ejerce una fuerza en la base del arco a lo largo de su línea de apoyo (generalmente horizontal).

1

1 Ubicar tirantes para recoger la componente horizontal de las fuerzas de reacción

Figura 7.4 Lucenario

7.4 Cargas de mantenimiento Una carga de la cubierta, que a veces es olvidada cuando se dimensionan las correas, es la carga de mantenimiento. Esta puede tener una influencia importante cuando la cubierta es impermeabilizada con muchas capas, en la medida en que la carga de mantenimiento incluye el almacenamiento temporal en la cubierta de materiales de reemplazo durante los trabajos de reparación.

La carga de mantenimiento tiene un valor por m2 mayor que el de la nieve (con la cual no se combina porque se considera que los principales trabajos en la cubierta no se hacen durante la temporada de nieve), por consiguiente, puede tener influencia directa en el dimensionamiento de las correas.

Adicionalmente, la carga de mantenimiento es local: sólo afecta un paño simple de correas continuas, produciendo un incremento del factor para momento a flexión del tramo y de la flecha.

Debe prestarse atención a la flexión de las correas, ya que la carga de mantenimiento no crea una contra pendiente en la cubierta (cubiertas multicapas tienen una pendiente gradual): se puede no hacer la combinación de cargas de mantenimiento y nieve, pero la posibilidad de una lluvia fuerte durante los trabajos de reparación no deberían dejarse de considerar. Así, la presencia de una contra pendiente introduce un fenómeno de acumulación de agua (estancamiento).

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7.5 Riesgos de la acumulación de agua: nieve derretida, lluvia

Cubiertas con una pendiente gradual (menor al 5%) son proclives al fenómeno de acumulación de agua (estancamiento) (EN 1993 1-3 también exige tomar en cuenta esto, pero no indica cómo).

Ejemplo de escenario: Bajo los efectos de una fuerte nevada, la cubierta y la correa se deforman. Si estas deformaciones son tales que la pendiente de la cubierta se invierte, cuando la nieve se derrite, el flujo de agua descongelada hacia abajo se ve impedida y se forman charcos de agua. Cuanto más flexibles son las cubiertas y correas, más profundos y grandes son los charcos. La carga de agua puede volverse mayor que la carga de nieve, o aún mayor que la resistencia de las correas. Más aun, no se puede ignorar una sucesión de nevadas, descongelamiento, etc. que pueden agravar el fenómeno. Por lo tanto, es importante diseñar una estructura de correas lo suficientemente rígida tal que el agua proveniente de la nieve descongelada pueda siempre evacuarse al exterior: no permitir contra pendientes bajo la combinación de cargas en el ELU, esto se logra tomando en cuenta la carga de nieve: este es uno de los raros ejemplos donde es importante verificar el criterio de deformación para combinaciones en ELU.

Otro ejemplo de escenario: al reparar una cubierta multicapa, las correas y la cubierta se deforman bajo el efecto de la carga de mantenimiento. Si estas deformaciones son tales que la pendiente de la cubierta se invierte, comienza el fenómeno de acumulación, se produce una fuerte lluvia y la evacuación de ésta se ve obstaculizada, etc. Por lo tanto, es importante diseñar una estructura de correa suficientemente rígida tal que, el agua de lluvia pueda fluir al exterior en tales circunstancias: el criterio de deformación bajo la combinación en ELU incluye la carga de mantenimiento.

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Registro de Calidad TÍTULO DEL RECURSO Proyecto básico: Diseño de la estructura de correas

Referencias(s)

DOCUMENTO ORIGINAL

Nombre Compañía Fecha

Creado por P. Le Chaffotec CTICM 26/09/05

Contenido técnico revisado por A. Bureau CTICM 26/09/05

Contenido editorial revisado por

Contenido técnico respaldado por los siguientes socios de STEEL:

1. Reino Unido G W Owens SCI 23/05/06

2. Francia A. Bureau CTICM 23/05/06

3. Suecia B Uppfeldt SBI 23/05/06

4. Alemania C Müller RWTH 23/05/06

5. España J Chica Labein 23/05/06

Recurso aprobado por el Coordinador técnico

G W Owens SCI 25/04/07

DOCUMENTO TRADUCIDO

Traducción realizada y revisada por: J Chica, Labein 27/02/07

Recurso de traducción aprobado por:

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proyecto bsico: diseo de la estructura de correas

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