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ESTRUCTURAS METLICAS

1

DISEO DE CERCHA METLICA PARA TINGLADO

1.- MARCO TEORICO

1.1. Objetivo

Objetivo General

El objetivo el diseo de una estructura metlica segn las especificaciones LRFD-

AISC con las caractersticas geomtricas predeterminadas.

Objetivos Especficos

Realizar el diseo geomtrico y el clculo de la cubierta, es decir, calcular los

esfuerzos en cada una de las barras del prtico y las secciones para cada tramo

en funcin a las solicitaciones ms crticas que comprenden las correas, el

arriostra miento, las placas de apoyo, las conexiones rgidas de esquina, las

fundaciones y los pernos de anclaje.

Realizar el Anlisis de Cargas que inciden en la estructura tomando en cuenta la

norma LRFD

1.2 Introduccin

En Bolivia el uso de perfiles metlicos ha ido creciendo de igual manera, pero por

la falta de empresas productoras de este material, la materia prima llega en

planchas, las cuales son dobladas en frio y poseen varias secciones. Pero por

este mismo hecho el precio de importacin de este material es elevado, por lo que

no se usa para la construccin de estructuras grandes como edificios. En el

presente proyecto se usar el acero, para el diseo y la construccin de la

estructura del tinglado.

1.3 Justificacin

El presente proyecto se realizara principalmente el clculo de marcos rgidos

metlicos de grandes dimensiones que constituirn un tinglado para uso industrial,

tomando en cuenta las caractersticas de la Ciudad de El Alto donde se proyecta

la obra.


2

El trmino marco rgido se aplica comnmente a un tipo particular de estructuras

consistentes de miembros verticales y horizontales unidos rgidamente en sus

intersecciones, marco en el que se calculan los efectos de continuidad y en el que

se desarrolla un diseo balanceado, tomando en consideracin los momentos

flectores y fuerzas que resultan de esta continuidad.

1.4 Macro localizacin

El Presente proyecto ser construido en la Ciudad de el Alto donde las

condiciones atmosfricas marcadas, si bien las nevadas no son frecuentes cuando

se producen tienen una altura media de h = 0.4 m.

Los vientos son bastantes intensos con una velocidad promedio de 80 km / h. La

combinacin de carga muerta ms carga de nieve es la condicin que

principalmente rige el diseo.

1.5 Micro localizacin


3

1.6 Metodologa

a) Para el clculo de los de las solicitaciones, y el dimensionamiento de los

elementos del galpn en estudio, para lo cual se deber seguir la siguiente

metodologa:

- Determinacin de los prticos y elementos a dimensionar

- Determinacin de todas las cargas que inciden en el prtico en estudio.

- Determinacin de los estados de carga segn las norma LRFD para cada

uno de los prtico en estudio.

- Calculo de las solicitaciones de los prticos, determinndose los diagramas

de Momentos, Cortes y Normales en cada uno de los elementos de la

estructura para cada estado de carga.

- Dimensionamiento de todos los elementos que componen la estructura.

- Diseo de las uniones

- Diseo de las placas de apoyo

Las especificaciones tienen el propsito de proteger y dar seguridad y no as

restringir al ingeniero, las normas que se utilizaron en el presente proyecto son:

- Norma: LRFD AISC.

El diseo estructural en acero como en cualquier material dctil se basa en

deformaciones permanentes y en estado limite.

El mtodo de LRFD (Load and Resstanse Factor Design) es aplicado durante las

dos ltimas dcadas que es un procedimiento ms racional, basados en

conceptos de probabilidades y denominados ESTADOS LIMITES. Los estados

lmites se dividen en dos categoras:

RESISTENCIA

Que tiene que ver con el comportamiento para mxima resistencia, ductilidad,

pandeo, fatiga, fractura por volteo deslizamiento.


4

Para el dimensionamiento de la estructura se pueden distinguir los siguientes

prticos y elementos.

2.- ANALISIS DE CARGAS

2.1 Anlisis de Cargas

Geometra Del Prtico

Se construir un tinglado con las siguientes caractersticas:

Longitud [L] : 26.00 [m]

Profundidad [P] : 12.0 [m]

Altura [H] : 2 [m]

Espaciamiento [e] : 2.54 [m]

Angulo de Inclinacin [a] : 10.98

Descripcin y Ubicacin

El Presente Trabajo consiste en disear un tinglado metlico el cual tendr un

funcionamiento de almacn con una seccin de 26.00m 12.0m.

La Cubierta del techo ser de calamina Trapezoidal CIMAG No 28

La Estructura estar constituida de 4 prticos metlicos con una separacin de

5.5m de eje a eje, dicha estructura estar arriostrada y se utilizaran perfiles

comerciales.

Las columnas estarn unidas a las fundaciones por medio de pernos de anclaje

colocados en placas de base previamente calculada.


5

Materiales

Acero estructural A36

FY= 2530 [Kg/cm^2]

Mdulo de Elasticidad: 2.10E5

Calamina No 28

Peso = 10 [Kg/m2]

L = 2 [m]

Ancho = 0.80 [m]

CALAMINA N 28


6

COSTANERAS 100X50X2

Cargas

Una de las tareas ms importantes del proyectista es determinar de la manera

ms precisa posible el valor de las cargas que soportar la estructura durante su

vida til, as como su posicin y tambin determinar las combinaciones ms

desfavorables que de acuerdo a los reglamentos pueda presentarse.

Los tipos de cargas son:

Cargas muertas

Cargas vivas

Cargas accidentales

Cargas muertas:

Son aquellas cuya magnitud y posicin, permanecen prcticamente constantes

durante la vida til de la estructura.

Peso propio.

Instalaciones.

Empujes de rellenos definitivos.

Cargas debidas a deformaciones permanentes.


7

Cargas Vivas:

Son cargas variables en magnitud y posicin debidas al funcionamiento propio de

la estructura.

Personal.

Mobiliario.

Empujes de cargas de almacenes.

Estas cargas se especifican como uniformemente repartidas por unidad de rea

en el ANSI y otros cdigos como el RCDF-87 ttulo 6.

Cargas vivas mximas para diseo por carga gravitacional (combinacin comn).

Cargas vivas medias para diseo por estado lmite de servicio.

Cargas vivas instantneas para diseo por combinacin accidental.

La vida til de una estructura es de aproximadamente 50 aos.


8

Sismo

Por la ubicacin en la que se construir la estructura esta carga no ser

considerada

Sobrecarga

Se considera una carga de 100 kg/m2, esta sobrecarga se debe al mantenimiento

que vaya a tener el galpn.

Carga de nieve

La carga de nieve sobre una superficie horizontal se reparte de manera distribuida,

as que si se tiene la altura a la que llega a acumularse, con el peso especfico, se

tendr la carga con la que llega a actuar, se tienen los siguientes pesos

especficos:

Nieve recin cada 120 kg/m3

Nieve prensada o empapada 200 kg/m3

Nieve mezclada con granizo 400 kg/m3

Considerando una altura de nieve de h= 0.25

Se har uso de la nieve mezclada con granizo, as que se tiene:

Carga de nieve = altura de nieve x peso especifico

Carga de nieve = 0.25 x 400

Carga de nieve = 100 kg/m2 = 0.1 ton/m2

Viento:

Estas cargas dependen de la ubicacin de la estructura, de su altura, del rea

expuesta y de la posicin. Las cargas de viento se manifiestan como presiones y

succiones.


9

En general ni se especifican normas de diseo para el efecto de huracanes o

tornados, debido a que se considera incosteable el diseo contra estos efectos;

sin embargo, se sabe que el detallado cuidadoso del refuerzo, y la unin de

refuerzos en los sistemas de piso con muros mejora notablemente su

comportamiento.

Se admite que el viento, en general, acta horizontalmente y en cualquier

direccin. Se considerar en cada caso la direccin o direcciones que produzcan

las acciones ms desfavorables.

Las estructuras se estudiarn ordinariamente bajo la actuacin del viento en

direccin a sus ejes principales y en ambos sentidos.

El viento de velocidad v (m/s) produce una presin dinmica w (kg./m2) en los

puntos donde su velocidad se anula, de valor:

Convirtiendo unidades:

s

m

h

KmV 22.2280

Segn el LRFD tenemos:

22

2

2

0.3186.30

16

22.22

16

m

Kg

m

Kgw

s

m

vw

CARGAS Kg/m2 kg/m2

MUERTA

CALAMINA 10

35 LUMINARIA 25

VIVA MANTENIMENTO 100 100

NIEVE NIEVE / GRANIZO 400 100

VIENTO BAROVENTO 6,17 6.17

SOTAVENTO -12,35 6.17


10

2.2. DETERMINACION DE COMBINACIONES

CARGA MUERTA

ANCHO TRIBUTARIO

(m) CARGA MUERTA

e1 0.5 17.50 kg/m

e2 1 35.00 kg/m

e3 0.88 30.80 kg/m

e4 0.77 26.95 kg/m

e5 0.82 28.70 kg/m

e6 0.88 30.80 kg/m

e7 0.91 31.85 kg/m

e8 0.93 32.55 kg/m

e9 0.65 22.75 kg/m

CARGA VIVA

ANCHO TRIBUTARIO

(m) CARGA VIVA

e1 0.5 50.00 kg/m

e2 1 100.00 kg/m

e3 0.88 88.00 kg/m

e4 0.77 77.00 kg/m

e5 0.82 82.00 kg/m

e6 0.88 88.00 kg/m

e7 0.91 91.00 kg/m

e8 0.93 93.00 kg/m

e9 0.65 65.00 kg/m

CARGA DE NIEVE

ANCHO TRIBUTARIO

(m) CARGA VIVA

e1 0.5 50.00 kg/m

e2 1 100.00 kg/m

e3 0.88 88.00 kg/m

e4 0.77 77.00 kg/m

e5 0.82 82.00 kg/m

e6 0.88 88.00 kg/m

e7 0.91 91.00 kg/m

e8 0.93 93.00 kg/m

e9 0.65 65.00 kg/m


11

CARGA DE VIENTO

Situacin ngulo de

incidencia del viento

COEFICIENTE ELICO EN:

Superficie Plana

Superficies curvas

rugosas

Superficies curvas muy

lisas

A

Barlovent

o

C1

A

Sotavento

C2

A

Barlovento

C3

A

Sotavento

C4

A

Barlovento

C5

A

Sotavento

C6

En remanso 90-0

En corriente

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

+0.8

+0.8

+0.8

+0.8

+0.8

+0.6

+0.4

+0.2

0

-0.2

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

+0.8

+0.8

+0.8

+0.8

+0.4

0

-0.4

-0.8

-0.8

-0.8

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

+0.8

+0.8

+0.8

+0.4

0

-0.4

-0.8

-1.2

-1.6

-2.0

-2.0

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-0.4

-2.0

-2.0

-2.0


12

Usando la tabla de coeficiente para valores de Barlovento y Sotavento, tenemos.

BARLOVENTO

Para esta parte tenemos C1 = -0.2 y con este coeficiente calculamos la carga para

barlovento

ANCHO TRIBUTARIO

(m) BARLOVENTO

e1 0.5 -3.09 kg/m

e2 1 -6.17 kg/m

e3 0.88 -5.43 kg/m

e4 0.77 -4.75 kg/m

e5 0.82 -5.06 kg/m

e6 0.88 -5.43 kg/m

e7 0.91 -5.62 kg/m

e8 0.93 -5.74 kg/m

e9 0.65 -4.01 kg/m

SOTAVENTO

Para esta parte tenemos C2 = -0.4 y con este coeficiente calculamos la carga para

barlovento

ANCHO TRIBUTARIO

(m) SOTAVENTO

e1 0.5 -6.17 kg/m

e2 1 -12.35 kg/m

e3 0.88 -10.86 kg/m

e4 0.77 -9.51 kg/m

e5 0.82 -10.12 kg/m

e6 0.88 -10.86 kg/m

e7 0.91 -11.23 kg/m

e8 0.93 -11.48 kg/m

e9 0.65 -8.02 kg/m


13

2.2 DETERMINACIN DE ESFUERZOS A TRACCIN Y COMPRESIN

TABLE: Element Forces - Frames

Frame Station StepType P

Text m Text Kgf

1 1,8598 Min -1354,04

2 0,75 Min -1838,23

3 1 Min -2510,22

4 1 Min -2454,35

5 0,375 Min -1838,24

6 1,8598 Min -1354,04

7 0,94724 Max 1397,29

8 0,76398 Max 1380,29

13 0,35 Max 5359,56

20 0 Min -521,19

21 0,12983 Max 1832,86

22 0 Min -510,35

23 0,88882 Max 1870,19

26 0 Max 1839,95

27 0,88882 Max 1877,64

29 0,11696 Max 666,76

30 0,78471 Max 699,89

31 0,23391 Max 720,77

32 0,39236 Max 752,51

43 0 Min -746,48

44 1,01863 Max 2371,42

45 1,01863 Max 5103,71

46 1,01863 Max 7469,99

47 0 Max 9470,78

48 1,01863 Max 11114,48

49 1,01863 Max 12392,68

50 1,01863 Max 13308,19

51 1,01863 Max 13861,01

53 0,27513 Min -692,03

54 1,01863 Max 2419,15

55 1,01863 Max 5145,47


14

56 1,01863 Max 7505,79

57 1,01863 Max 9503,41

58 1,01863 Max 11138,34

59 1,01863 Max 12410,58

60 1,01863 Max 13320,12

61 1,01863 Max 13866,97

62 1,01863 Max 14032,73

63 0,2751 Max 2556,94

65 0 Min -2371,42

66 0 Min -5103,71

67 0 Min -7469,99

68 0 Min -9473,58

69 0 Min -11114,48

70 0 Min -12392,68

71 0 Min -13308,19

73 0,5502 Max 2500,78

75 0 Min -2419,15

76 0 Min -5145,47

77 0 Min -7505,79

78 0,50931 Min -9502,01

79 0 Min -11138,34

80 0 Min -12410,58

81 0 Min -13320,12

86 0,7 Max 136,08

89 0,7 Max 397,97

92 0,7 Max 647,21

95 0,35 Max 895,16

98 0,7 Max 1145,69

101 0,7 Max 1394,94

104 0,7 Max 1644,18

107 0,7 Max 1897,97

110 0,7 Max 2158,09

113 0,7 Max 140,18

116 0,7 Max 402,07

119 0,7 Max 651,31

122 0,7 Max 900,55

125 0,7 Max 1149,79

128 0,7 Max 1399,04

131 0,7 Max 1648,28

134 0,7 Max 1902,07

137 0,7 Max 2162,19

142 1,89448 Max 1399,9


15

143 0,76398 Max 1380,29

145 0 Min -453,32

147 0 Min -304,58

149 0 Min -414,21

150 0 Min -304,58

151 0 Min -229,35

152 0 Min -731,16

153 0 Min -1208,75

154 0 Min -1686,33

155 0 Min -2163,92

156 0 Min -2641,5

157 0 Min -3119,09

158 0 Min -3602,54

159 0 Min -4107,46

160 0 Min -3193,27

161 1,22071 Max 822,83

162 0,90481 Max 585,97

163 0 Min -221,49

164 0 Min -723,31

165 0 Min -1200,89

166 0,67065 Min -1675,24

167 0 Min -2156,06

168 0 Min -2633,65

169 0 Min -3111,23

170 0 Min -3594,69

171 0 Min -4099,61

172 0 Min -3187,59

173 1,22071 Max 754,62

174 0,90481 Max 585,97

254 1,01863 Max 14032,73

1320 0 Min -13863,41

1321 0 Min -13840,62

1322 0 Min -13869,38

1323 0 Min -13846,58

Siendo valores negativos compresin y valores positivos a Traccin.


16

3.- DISEO ESTRUCTURAL

3.1. Diseo de elementos comprimidos fraccionados placa de apoyo y

elementos a flexin.

Verificacin de Perfiles Adoptados, prediseados en SAP2000, mediante la norma

LRFD

Anlisis en 2 cercha: Cercha media y cercha extrema, analizando en 3 secciones,

en el apoyo, parte media, y parte superior en donde se ejerce una presin mxima

por parte de las cargas.

CERCHA DE LOS EXTREMOS

En el apoyo

Utilizando un Perfil C100X50X4

A = 7.47 x 2 = 14.94 A = 2.13

Ix = 113.0 Ix = 2.71

L = 56 cm L = 22

Se obtuvo una reaccin de.

P = 2510.22 compresin P = 5.534 lb

Radio de giro

r = r = r =

Clculo de

= =

=


17

Fcr =

Fcr =

Fcr = 35 KSI

Clculo de Carga Ultima Pu.

Pu =

Pu =

Pu = 68 Klb.

Verificando la carga obtenida

=

Utilizando la Tabla 3.36 para miembros a compresin de 36

KSI, . Se tiene.

Reemplazando el valor en la Formula de Pu.

Pu = 29,96 KSI * 2.316 plg.

Pu = 69 Klb.

Cumpliendo as con la carga Pu = 5.534 Klb. Dicho sobre

dimensionamiento se debe que en la parte central y en lo ms alto de

la cercha se tiene cargas mayores y se toma en cuenta esa parte para

que el diseo de la cercha sea uniforme y facilitando as las

solicitaciones.


18

En la parte media (Diagonal)

Reaccin obtenida en el punto.


A = 10.82 x 2 = 21.64 A = 3.35

Ix = 155.13 Ix = 3.72

L = 1.31 m L = 51.58


P = 2510.22 compresin P = 5.534 lb

Radio de giro

r = r = r =

Clculo de

= =

=

Fcr =

Fcr =

Fcr = 32.11 KSI


19


Pu =

Pu =

Pu = 92 Klb.


=


KSI, . Se tiene.


Pu = 28,97 KSI * 3.35

Pu = 97 Klb.





solicitaciones.


20

En la parte Superior (montantes)


A = 10.82 x 2 = 21.64 A = 2.316

Ix = 155.13 Ix 2.71

L = 70 cm L = 27.56


P = 13869,38 kg compresin P = 30.5 Klb

Radio de giro

r = r = r =

Clculo de

= =

=

Fcr =

Fcr =

Fcr = 34.71 KSI


21


Pu =

Pu =

Pu = 31.1 Klb.


=


KSI, . Se tiene.


Pu = 29.553 KSI * 2.316

Pu = 31.1 Klb.

Cumpliendo as con la carga Pu = 30.5 Klb. Siendo C 150X50X4 el

Perfil que soportar las diferentes tipos de cargas, y ocasionando un

sobredimensionamiento en otras partes de la cercha.


22

En la Cercha Central

En el apoyo


A = 7.47 x 2 = 14.94 A = 2.13

Ix = 113.0 Ix = 2.71

L = 56 cm L = 22


P = 2510.22 compresin P = 5.534 lb

Radio de giro

r = r = r =

Clculo de

= =

=

Fcr =

Fcr =

Fcr = 35 KSI


23


Pu =

Pu =

Pu = 68 Klb.


=


KSI, . Se tiene.


Pu = 29,96 KSI * 2.316 plg.

Pu = 69 Klb.





solicitaciones.


24

En la parte media


A = 10.82 x 2 = 21.64 A = 3.35

Ix = 155.13 Ix = 3.72

L = 1.31 m L = 51.58


P = 21589.5 traccioanda P = 47.49 Klb

Radio de giro

r = r = r =

Clculo de

= =

=

Fcr =

Fcr =

Fcr = 32.11 KSI


25


Pu =

Pu =

Pu = 96 Klb.


=


KSI, . Se tiene.


Pu = 28,97 KSI * 3.35

Pu = 97 Klb.


dimensionamiento se debe que en lo ms alto de la cercha se tiene

cargas mayores y se toma en cuenta esa parte para que el diseo de

la cercha sea uniforme y facilitando as las solicitaciones.


26

En la parte Superior


A = 10.82 x 2 = 21.64 A = 2.316

Ix = 155.13 Ix 2.71

L = 1.34 cm L = 27.56


P = 27306.78 kg. Compresin P = 60 Klb

Radio de giro

r = r = r =

Clculo de

= =

=

Fcr =

Fcr =

Fcr = 34.71 KSI


27


Pu =

Pu =

Pu = 91.0 Klb.


=


KSI, . Se tiene.


Pu = 29.553 KSI * 2.316

Pu = 95.0 Klb.

Cumpliendo as con la carga Pu = 60 Klb. Siendo C 150X50X4 el Perfil

que soportar las diferentes tipos de cargas, y ocasionando un

sobredimensionamiento en otras partes de la cercha.


28

Calculo de placas

rea de la Columna:

A= 11.81 plg * 23.6 plg = 278.716 plg2

a) 3.35 = 13.2

b)

c)

Calculo de N y B

Clculo Del espesor

Distancia Horizontal


29

Distancia vertical

La placa tendr las dimensiones de 5 x 3 x 0.6

Y como se trata de una cercha simtrica el diseo de la placa al otro extremo, ser

la misma a la ya diseada.

3.2 PLANOS


30

ANEXOS

MOMENTOS 22 CORREAS


31

MOMENTOS 33 CORREAS


32


33

MODELO FINAL DE LA CUBIERTA

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