“Año de la Diversificación Productiva y del Fortalecimiento de la Educación”

MEMORIA DE ESTRUCTURAS

ESTRUCTURA METÁLICA PARA COBERTURA

SEPTIEMBRE - 2015

INDICE

1. GENERALIDADES

1.1. Objetivo 1.2. Descripción de la estructura 1.3. Normas empleadas

2. PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS

2.1. Verificación de esfuerzos

3. CARACTERISTICAS DE LA ESTRUCTURA

3.1. Especificaciones – Materiales empleados 4. METRADO DE CARGAS

4.1. Cargas por peso propio 4.2. Cargas vivas 4.3. Cargas producidas por el viento 4.4. Cargas producidas por Sismo 4.5. Resumen de Cargas

5. CONSIDERACIONES SISMICAS

5.1. Zonificación (Z) 5.2. Categoría de las edificaciones (U) 5.3. Parámetros del suelo (S) 5.4. Factor de amplificación sísmica (C) 5.5. Sistema Estructural (R) 5.6. Desplazamientos laterales permisibles 5.7. Análisis Dinámico

6. ANALISIS Y DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES

6.1. Modelo estructural adoptado 6.2. Introducción grafica de cargas a la herramienta computacional 6.3. Combinaciones de cargas empleadas 6.4. Perfiles utilizados 6.5. Verificación de zonas críticas en los elementos estructurales 6.6. Diseño de elementos estructurales

Propietario : ……………………….…….…... Proyecto : ………………………………….

1. GENERALIDADES

1.1. Objetivo:

La finalidad del presente documento es realizar la descripción y los cálculos justificativos para el diseño estructural de la Estructura Metálica para cobertura en patio.

1.2. Descripción de la Estructura:

La estructura a analizar y diseñar consta de una estructura metálica de columnas tubulares y tijerales arriostrados por perfiles tipo U. Los miembros estructurales empleados en los tijerales son perfiles angulares y ángulos dobles.

1.3. Normas empleadas El análisis, diseño y fabricación de estructuras de acero aquí indicados y

especificados se complementarán con lo señalado en las últimas revisiones de los

siguientes reglamentos y normas:

- ANSI American National Standars Institute

- AISI American Iron and Steel Institute

- ASTM American Society for Testing of Materials

- AWS American Welding Society

- SSPC Steel Structures Painting Council

- AISC American Institute of Steel Construction

- E.090 Estructuras Metálicas

Se entiende que todos los reglamentos y normas están en vigencia y/o son de la

última edición.

2. PROCEDIMIENTO DE EVALUACION

2.1. Verificación de esfuerzos: Entre los parámetros que intervienen en el ANÁLISIS

se encuentran la resistencia al corte, flexión, carga axial en los perfiles de la

Estructura Metálica.

Se ha considerado para su diseño cargas propias, cargas vivas, cargas de viento y

cargas de sismo.

3. CARACTERÍSTICAS DE LA ESTRUCTURA

3.1. Especificaciones – Materiales empleados

Acero Estructural

Planchas, Perfiles y Arriostre (Fierro liso)

- Resistencia a la fluencia A-36 <> fy = 2500.00 Kg/cm2

- Módulo de elasticidad E = 2 000 000 Kg/ cm2

Pernos

- Resistencia ultima fu = 8400 Kg/ cm2

4. METRADO DE CARGAS

A pesar que la estructura es desmontable es desmontable, se han considerado las siguientes cargas conservadoramente.

4.1. Cargas por peso propio: Son cargas provenientes del peso de los materiales, luminarias, instalaciones, etc.

4.2. Cargas vivas: Cargas que provienen de los pesos no permanentes en la estructura, y de montaje.

4.3. Cargas producidas por el viento: Cargas producidas por la acción de ráfagas de viento sobre la estructura metálica.

4.4. Cargas producidas por sismo: Análisis de cargas estáticas o dinámicas que representan un evento sísmico y están reglamentadas por la norma E.030 de diseño

Sismorresistente.

4.5. Resumen de cargas

Cargas Muertas (D)

Cobertura de lona = 5 Kg/m2

Cargas Vivas (L)

Sobrecarga en cobertura de policarbonato = 30 Kg/m2

Cargas de Viento (W)

Según Norma E.020 y ASCE 7-05 P = q . Cp . Ci

Cargas de Sismo

Según Norma E.030 (ZUCS.g) /R

5. CONSIDERACIONES SÍSMICAS

Las consideraciones adoptadas para poder realizar un análisis dinámico de la edificación son tomadas mediante movimientos de superposición espectral, es decir, basado en la utilización de periodos naturales y modos de vibración que podrán determinarse por un procedimiento de análisis que considere apropiadamente las características de rigidez y la distribución de las masas de la estructura. Entre los parámetros de sitio usados y establecidos por las del Reglamento Nacional de Edificaciones (Norma E.030) tenemos: 5.1. Zonificación (Z)

La zonificación propuesta se basa en la distribución espacial de la sismicidad

observada, las características esenciales de los movimientos sísmicos, la

atenuación de estos con la distancia y la información geotécnica obtenida de

estudios científicos.

De acuerdo a lo anterior la Norma E-0.30 de diseño sismo-resistente asigna un factor “Z“ a cada una de las 3 zonas del territorio nacional. Este factor representa la aceleración máxima del terreno con una probabilidad de 10% de ser excedida en 50 años.

Para el presente estudio, la zona en la que está ubicado el proyecto corresponde a la zona 3 y su factor de zona Z será 0.4.

5.2. Categoría de las edificaciones (U)

Cada estructura debe ser clasificada de acuerdo a la categoría de uso de la edificación, para esta edificación la norma establece un factor de importancia común

U = 1.0, que es el que se tomará para este análisis.

5.3. Parámetros del Suelo (S)

Para los efectos de este estudio, los perfiles de suelo se clasifican tomando en

cuenta sus propiedades mecánicas, el espesor del estrato, el periodo fundamental de vibración y la velocidad de propagación de las ondas de corte. Para efectos de la aplicación de la norma E-0.30 de diseño sismorresistente se considera que el perfil de suelo en esa zona es de tipo Intermedio (S2), el parámetro Tp asociado con este tipo de suelo es de 0.60 seg. y el factor de amplificación del suelo se considera S= 1.2.

5.4. Factor de amplificación Sismica (C)

De acuerdo a las características de sitio, se define al factor de amplificación sísmica (C) por la siguiente expresión:

C = 2.5 x (Tp/T); C≤ 2.5

5.5. Sistema estructural (R)

La Los sistemas estructurales se clasifican según los materiales usados y el sistema de estructuración sismo resistente predominante en cada dirección. De acuerdo a la clasificación de una estructura se elige un factor de reducción de la fuerza sísmica

(R). En la dirección X-X, Y-Y, casi la totalidad de la resistencia y rigidez de la estructura

será proporcionada por estructuras de Acero, por lo cual se usará el factor de reducción de fuerza sísmica para este tipo de estructuras, R=9.5 para efectos de sismo severo, de acuerdo a los parámetros de la norma E–030.

5.6. Desplazamientos Laterales Permisibles

Se refiere al máximo desplazamiento relativo de entrepiso, calculado según un análisis lineal elástico con las solicitaciones sísmicas reducidas por el coeficiente R.

5.7. Análisis Dinámico

Para edificaciones convencionales, se realiza el análisis dinámico por medio de

combinaciones espectrales, mostradas anteriormente dadas por la Norma E-030. De acuerdo a ello, a los parámetros de sitio, y las características de la edificación, se muestran a continuación las señales sísmicas empleadas en el programa de cómputo, para considerar las cargas sísmicas en las direcciones X-X e Y-Y.

DIRECCION X-X / Y-Y

Z 0.400 ZONA 3

U 1.000 CAT. C (COMÚN)

S 1.200 S2 (INTERMEDIO)

IRREGULAR? NO FACTOR=1

R 9.500 DUCTILIDAD LIMITADA

R* 9.500 R NO TIENE CAMBIOS

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

Espectro Inelástico de Pseudo Aceleraciones

T Sa

0.05 1.239

0.1 1.239

0.15 1.239

0.2 1.239

0.25 1.239

0.3 1.239

0.35 1.239

0.4 1.239

0.45 1.239

0.5 1.239

0.55 1.239

0.6 1.239

0.65 1.144

0.7 1.062

0.75 0.991

0.8 0.929

0.85 0.875

0.9 0.826

0.95 0.783

1 0.743

1.05 0.708

1.1 0.676

1.15 0.647

1.2 0.620

1.25 0.595

1.3 0.572

1.35 0.551

1.4 0.531

1.45 0.513

1.5 0.496

1.55 0.480

1.6 0.465

1.65 0.451

1.7 0.437

1.75 0.425

1.8 0.413

1.85 0.402

1.9 0.391

1.95 0.381

2 0.372

2.05 0.363

2.1 0.354

2.15 0.346

2.2 0.338

6. ANALISIS Y DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES

De acuerdo a los procedimientos señalados y tomando en cuenta las características de los materiales y cargas que actúan sobre la estructura e influyen en el comportamiento de la misma ante las solicitaciones sísmicas, se muestra a continuación el análisis realizado para la obtención de estos resultados.

6.1. Modelo Estructural Adoptado

El comportamiento dinámico de las estructuras se determina mediante la generación de modelos matemáticos que consideren la contribución de los elementos estructurales.

Figura 1. Modelo estructural-vista en planta.

Figura 2. Vista frontal y lateral

.Figura 2. Modelo estructural tridimensional

6.2. Introducción Gráfica de cargas a la herramienta computacional

Debido a que el programa hace la distribución automática de las cargas muertas de perfiles, se introdujeron las cargas por metro lineal sobre las vigas metálicas.

Cargas muertas (5 Kgf/m2)

Cargas vivas (30 Kgf/m2)

6.3. Combinaciones de cargas empleadas:

Las combinaciones de cargas usadas para encontrar la envolvente de esfuerzos sobre los elementos de la estructura según norma E.090 de Estructuras Metálicas, son las siguientes: COMB1 : 1.4 D COMB2 : 1.20 D +1.60 L COMB3, COMB4 : 1.20 D + 0.80 W COMB5, COMB6 : 1.20 D + 1.30 W + 0.50 L COMB7, COMB8 : 1.20 D ± 1.00 E + 0.50 L COMB9, COMB10 : 0.90 D ± 1.30 W COMB11, COMB12 : 0.90 D ± 1.00 E

Donde: D: Carga muerta debido al peso propio de los elementos. L: Carga Viva. W: Carga de nieve de acuerdo a la Norma E.020 y ASCE 7-98. E: Carga de sismo de acuerdo a la Norma E.030 Diseño Sismo Resistente.

6.4. Perfiles utilizados Columnas:

- Tubular rectangular 6”x6”x1/4”

Tijerales: - Brida superior: 2L-1.5"x1.5"x1/4"

- Diagonal : L-1.5"x1.5"x1/8" - Brida inferior: 2L-1.5"x1.5"x1/4"

Vigueta:

- Perfil C-3x4.1

6.5. Verificación de zonas críticas en los Elementos estructurales

Elementos a Tracción

La resistencia de diseño de elementos en tracción Pn debe ser el menor valor obtenido de acuerdo a los estados límites de fluencia en el área total y de rotura en el área neta.

a. Para fluencia en el área total

Ø t = 0,90 Pn = Fy.Ag

b. Para rotura en el área neta: Ø t = 0,75 Pn = Fu.Ae

Donde: Ae = Área neta efectiva. (Ae =0.8 Ag) Ag = Área total del elemento.

Fy = Esfuerzo mínimo de fluencia especificado. Fu = Resistencia mínima a la tracción especificada. Pn = Resistencia axial nominal.

Elementos a Compresión La resistencia de diseño para pandeo por flexión en miembros comprimidos en los que

sus elementos tienen una relación ancho - espesor menor a es donde:

Ø t = 0,85 Pn = Ag.Fcr

a. Para 1,5

b. Para 1,5

Donde: Ag = Área total del elemento. Fy = Esfuerzo mínimo de fluencia especificado. E = Módulo de elasticidad. K = Factor de longitud efectiva. I = Longitud lateralmente no arriostrada. r = Radio de giro respecto del eje de pandeo.

6.6. Diseño de Elementos estructurales

La selección de los elementos se hizo considerando el método de Diseño LRFD considerado en AISC 2010. Se verificará los elementos más esforzados:

Vista 3D del modelo matemático y capacidad de elementos

Vista Frontal del modelo matemático y capacidad de elementos

Diseño de columna

Capacidad de una de las columnas más esforzadas.

El elemento es adecuado tiene un ratio de 0.245, por lo que se puede decir que la columna metálica se comporta de manera eficiente ante las cargas impuestas.

Diseño de Tijeral Brida superior e inferior

Capacidad de una de las bridas de los tijerales más esforzadas.

El elemento es adecuado tiene un ratio de 0.924, por lo que se puede decir que el perfil metálico se comporta de manera eficiente ante las cargas impuestas.

Diseño de vigueta

Capacidad de una de las viguetas más esforzadas

El elemento es adecuado tiene un ratio de 0.309, por lo que se puede decir que la vigueta metálica se comporta de manera eficiente ante las cargas impuestas.