I. INTRODUCCION

El acero se podría considerar como uno de los mejores materiales para las

construcciones, debido a su versatilidad, gran resistencia, poco peso, facilidad

de fabricación y otras propiedades convenientes. Aunque tiene sus desventajas

como el costo en su mantenimiento o susceptibilidad al pandeo. Este material

está presente en puentes, edificios, torres, etc.

Definiendo, el acero estructural se refiere a aquellos elementos de acero de

sistemas estructurales de pórticos y reticulados que sean parte esencial para

soportar las cargas de diseño

En los planos arquitectónicos están claramente definidos los materiales de

construcción las cargas ha de ser aplicadas y su naturaleza, además de concebir

un apropiado sistema estructural. Esto implica distribuir y dimensionar la

estructura y sus partes para que soporten satisfactoriamente las cargas a que

quedaran sometidas. Además, trazar en forma global la estructura, estudiar las

posibles formas estructurales, considerar las condiciones de carga, analizar los

esfuerzos, deflexiones y diseñar los diferentes elemento que la componen.

Para el diseño de estas estructuras es necesario como ingenieros consultar el

Reglamento Nacional de Edificaciones o el Manual LRFD, donde se encuentran

todas las consideraciones que se deben tener al momento de hacer los cálculos

necesarios para el diseño de las estructuras metálicas. El presente trabajo se

realizara el análisis y diseño de una estructura de 5 pisos especificando todas

las consideradas tomadas.

II. OBJETIVOS

o El trabajo realizado pretende analizar una estructura en acero con elementos como mampostería para muros, losas colaborantes, y tabiquería móvil.

o Considerar las combinaciones dadas por el Reglamento Nacional de Edificaciones, trabajando así cargas muertas, vivas, de viento, de nieve y lluvia.

o También se procederá a realizar el diseño de columnas y vigas y la comprobación de los mismos por el método de LRFD, y sus conexiones. Además se diseñara la placa base requerida para una columna de la estructura.

III. LA ESTRUCTURA

Estructura a analizar:

Uso: Oficinas

Materiales:

Se establecieron de la siguiente manera:

- Estructura Principal: Acero Estructural- Paredes exteriores de todos los niveles: Muros de mampostería- Divisiones Internas de todos los niveles: Tabiquería móvil- Cielo Raso: De Gypsum- Entre piso: Se utilizó una Losa Colaborante de las siguientes

características:

IV. CARGAS APLICADAS

a) Carga muerta

Losa colaborantePeso de la seccion de acero = 9.6 Kg/m2Peso de cielo raso (GYPSUM)= 15 Kg/m2

Se dio la orientación de la losa tomando en cuenta el lado más corto y largo

P .Total de Losa=24.6Kg /m2

El peso del concreto en losa será considera por el programa utilizado

para los análisis. El cual será concreto f ´ c=210Kgcm 2

=3KSI

Los muros de mampostería han sido colocados alrededor de la estructura, los cuales tienen un ancho de 0.25m y un peso por metro cuadrado de:

P .Muros deMampostería=450Kg /m 2

Esta carga será aplicada a las vigas exteriores.

b) Carga viva

Carga Viva del PisoPara establecer la carga viva que existe en esta edificación se vio en el RNE donde se especifica una carga viva de la mínima repartida para el uso de oficinas de:

C .V .=250Kg /m 2

En el presente trabajo se opto por la utilizar tabiquería Móvil como separadores en las oficinas, donde la carga viva repartida por metro cuadrado es:

TabiqueríaMovil=50Kg /m2

Teniendo así un peso total de carga viva del piso igual a:C .V .del piso=300Kg /m 2

Carga Viva del TechoSe tomó una carga viva mínima del RNE:

C .V .Techo=100Kg /m2

Carga de Nieve

La estructura y todos los elementos de techo que estén expuestos a la acción de carga de nieve serán diseñados para resistir las cargas producidas por la posible acumulación de nieve en el techo. Según el reglamento se tomo una carga de nieve sobre los techos de:

Nieve=40Kg /m2

Carga de Lluvia:Lluvia=5Kg /m 2

c) Carga de vientoCon el mapa eólico proporcionado por el reglamento se obtuvo la velocidad del viento en la región:

V=85 Kmh

Con las formulas siguientes, también proporcionadas por el RNE se obtuvo las presiones de viento teniendo en cuenta la altura de la edificación:

Vh=V ( h10 )0.22

Ph=0.005 ∙C ∙Vh2

DondeC=1.4

h V Vh P5 85 72.98 37.28

10.5 86 86.93 52.9014.5 87 94.41 62.3918.5 88 100.75 71.06

Luego estas presiones fueron aplicadas como cargas distribuidas perpendicularmente a las caras del edificio:

V. COMBINACIONES

La resistencia requerida de la estructura y sus elementos debe ser determinada para la adecuada combinación critica de cargas factorizadas. El efecto crítico puede ocurrir cuando una o más cargas no estén actuando. Para la aplicación del método LRFD, las siguientes combinaciones fueron utilizadas en el diseño:

1.4D1.2D+1.6 L+0.5 (Lró S ó R )

1.2D+1.6 (Lr óS ó R )+(0.5 Ló0.8W )1.2D+1.3W +0.5 L+0.5 (Lr óS ó R )

1.2D+0.5 L+0.2S0.9D±1.3W

Donde:D : Carga muerta debido al peso propio de los elementos y los efectos permanentes sobre la estructura.L : Carga viva debida al mobiliario y ocupantes.Lr : Carga viva en Azoteas.W : Carga de viento.S : Carga nieve.R : Carga por lluvia o granizoLuego de realizar todas las combinaciones se obtuvo una envolvente de todas las combinaciones. Se tomó las fuerzas axiales para el diseño de columnas:

Y los momentos flectores para el diseño de vigas:

VI. DISEÑO DE ELEMENTOS

Con el Programa de ETABS se pudo pre dimensionar las vigas y columnas de la estructura tomando en cuenta todas las cargas aplicadas a la misma. Además se puede ver el porcentaje al que trabaja cada elemento de acero.

El acero utilizado tanto para vigas y columnas es de grado 50 (A50), teniendo como:

Fy=50KSIE=29000KSI

a) ColumnaSe comprobara el diseño de la siguiente columna:

La cual soporta una caga igual a:Pu=113.601Klb

Primero se hallara el factor de longitud de efectiva (K):

NUDO A:- Columnas:

Ic Lc Ic /Lc ∑ Ic /LcW14X90 362 157 2.30

3.40W12X65 174 157 1.10

- Vigas:

Iv Lv Iv /Lv ∑ Iv /LvW6X15 29.1 276 0.11

0.77W10X39-1 209 315 0.66

GA=∑ Ic

Lc

∑ IvLv

=3.400.77

GA=4.43NUDO B:

- Columnas:

Ic Lc Ic /Lc ∑ Ic /LcW14X90 362 157 2.30

2.83W10X49 93.4 177 0.53

- Vigas:

Iv Lv Iv /Lv ∑ Iv /LvW6X15 29.1 276 0.11

0.77W10X39-1 209 315 0.66

GA=∑ Ic

Lc

∑ IvLv

=2.830.77

GA=3.67Por el Nomograma para determinar longitudes efectivas de columnas, y considerando que el ladeo está impedido, se halló que:

K=2.0

Para la columna W14X90, se tiene los siguientes datos:

A=26.5 plg2

L=157 plgK=2

r=3.7 plgKL /r=85.12

Suponiendo un pandeo elástico:

Fcr= π2 E

( KLr )=π2∗29000

85.12

Fcr=39.50KIP<Fy

Comprobando:

øcPn=0.85∗26.5∗39.5

øcPn=890Klb>Pu

b) Viga

Viga W10X39:

Diagrama de momentos:

El momento máximo de la viga es:

Mu=68.11Klb . plg

RangoPlastico :

−de tablas :r y=1.98 plg

Mu=øMp=øFy . zzx=1.51 plg3

Lp=300 r y√Fy

=84 plg

L=315 plgLb=157 plg>Lp

Rango Inelastico :

De tablas (W10X39):

Mp=2112Klb . plgMr=1512Klb . plgLr=261.6 plgLp=84 plg

Para Cb:plg M

x=L/4 39.37 460.45x=2 L/4 78.74 260.92x=3 L/4 118.11 686.75

Cb=12.5Mmax

2.5Mmax+3M A+4MB+3M c

=0.1829

Mn=Cb[Mp−(Mp−Mr)( Lb−LpLr−Lp )]Mn=340.84Klb . plg>Mu

VII. DISEÑO DE CONEXIONES

SECCION L4x4x1/4”

Fy=50KSIE=29000KSIFu=65K SIAg=1.940 plg2

Fu=29.31Klb

1) Desgarramiento por bloque del Cortante:

Planode falla decortante=2 plgPlanode falla de tension=2 plg

Agv Anv Agt Ant0.6∗Fu∗Anv Fu∗Ant

plg2 plg2 plg2 plg20.500 0.469 0.5 0.469 18.281 30.469

Fu∗Ant>0.6∗Fu∗Anv

øRn=34.102Klb

2) Por fluencia:Pu=øFy . Ag

Pu=0.90∗50∗1.940Pu=87.30Klb

3) Fractura de línea de tornillo:

UAn Ae Puplg2 plg2 Klb

1 1.815 1.815 88.481

VIII. DISEÑO DE PLACA BASE

Se diseñara una placa base de A50 para una columna W10x49 que soporta una carga de axial de:

Pu=148.344KlbEl concreto tiene un f ´ c=3KSILa cimentación tendrá un área de 4 x 4 pies. Y se considerara que el área de la placa será menor a la área de cimentación.

Areade cimentación=2304 plg 2W10x49

d=9.98 plgbf=10 plg

Por Aplastamiento deConcreto :

A1= Pu

øc∗0.85∗f ´ c∗√ A2A1= 148.3440.6∗0.85∗3∗2

A1=48.48 plg 2

Por Geometría:A1min=d x bf=99.80 plg2

√ A2A1=√ 230499.80=4.80≥2

Optimizacionde PlacasBase :

factor de pandeo :∆=0.95∗d−0.81∗bf2

=0.69

N=√A1+∆=√99.80+0.69N=10.68 plg≅ 11 plg

B= A 1N

B=9.34 plg ≅ 9.5 plg

APB=NxB=104.5 plg2

Calcular la capacidad de compresionde la placa :

paracuando : APB>Acimentacion

øcPp=(0.6∗0.85∗3∗104.5 )∗2øcPp=319.77Klb>Pu

Diseño final de la placa base es de: 11×9.5 plg=0.92×0.79 pies

IX. CONCLUSIONES

Primero. Para el diseño de vigas y columnas se realiza procedimientos de tanteos. Seleccionando una sección de prueba y luego se revisa con ecuaciones apropiadas de interacción.

Segundo. Para el diseño de vigas y columnas, si la sección no satisface las ecuaciones se escoge otra sección y se aplican otra vez las ecuaciones de interacción. Aunque en este trabajo todas las secciones cumplieron con esto, también se debe de considerar exista sobredimensionamiento de las mismas.

Tercero. La carga de viento cambio a partir del segundo piso ya que a más altura la presión de aire aumenta considerablemente.

Cuarto. Es importante definir los materiales aparte de la estructura, debido a que estos influyen de gran medida tanto a la carga muerta como a la viva.

Quinto. Para la placa base se estimó un área de cimentación ficticia para poder realizar los cálculos.