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TRABAJO FINAL
DISEÑO DE ESTRUCTURAS METÁLICAS
ROBERTO MORALES MEDINAUNIVERSIDAD LA SALLE PACHUCA A. C.
Contenido
INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................2
Morfología de la estructura........................................................................................................2
Especificación de los materiales...............................................................................................5
ANÁLISIS DE CARGAS.................................................................................................................6
Análisis de cargas.......................................................................................................................6
Determinación de tableros y áreas tributarias.........................................................................7
ANÁLISIS ESTRUCTURAL...........................................................................................................9
Modelado y análisis estructural...............................................................................................10
DISEÑO ESTRUCTURAL ETABS 2013....................................................................................13
Diseño de trabes.......................................................................................................................13
Diseño de columnas..................................................................................................................15
DISEÑO ESTRUCTURAL POR MEDIOS MANUALES...........................................................17
Diseño de viga...........................................................................................................................17
Diseño de placa base...............................................................................................................19
Diseño Estructuras de Acero Ingeniería Civil
INTRODUCCIÓN
Morfología de la estructura.
De acurdo con las normas técnicas complementarias, el articulo 174 menciona el
grupo correspondiente para el tipo de edificio con el que se está diseñando.
II. Grupo B. construcciones comunes destinadas a vivienda, oficinas y locales
comerciales, hoteles y construcciones comerciales e industriales no incluidas en el
grupo A, las que se dividen en:
a) Subgrupo B1. Construcciones de más de 30 m de altura o con más de 6,000 m²
de área total construida, ubicadas en las zonas I y II según se definen en el
artículo 175, y construcciones de más de 15 m de altura o 3,000 m² de área total
construida en zona III
Por lo anterior determinamos que el edificio presente se encuentra dentro del
Grupo B1.
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Las plantas arquitectónicas arrojan las siguientes áreas de trabajo que conforman
el edificio por cada nivel.
SOTANO
Estacionamiento.
PLANTA BAJA
Tres salas.
Tres comedores.
Tres cocinas.
Cinco dormitorios.
Siete baños completos.
Tres cuartos de servicio.
PLANTA ALTA
Sala.
Comedor.
Cocina.
Cinco dormitorios.
Cuatro baños completos.
Cuarto de servicio.
Especificación de los materiales.
Para el análisis de bajada de cargas, es indispensable saber el tipo, la calidad y
las características principales de los materiales a utilizar. La calidad es regulada
por organismos gubernamentales, en México la Secretaría de Comercio y
Fomento Industrial (SECOFI) a través de la Dirección General de Normas (DGN)
publica en el diario oficial, las Normas Oficiales Mexicanas de los productos y
servicios.
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El Reglamento de Construcciones especifica las normas que rigen la calidad de
los materiales utilizados en sus diseños; madera, concreto, acero y mampostería.
El plástico y el aluminio así como otros materiales regularmente no se utilizan para
fines estructurales en México, no tienen una norma establecida para estas
aplicaciones. Esto no implica que no se puedan utilizar, si no que en caso de
usarse se incluya un estudio de calidad que demuestre que el material es apto
para dicha aplicación, así como las recomendaciones de su uso.
Algunas instituciones no basan sus estudios de calidad en las NOM, sino en las
normas americanas tales como las del ASTM.
De acuerdo al Reglamento de Construcciones del D. F. el Artículo 255 menciona
lo siguiente:
Los materiales empleados en la construcción deberán cumplir con las siguientes
disposiciones:
La resistencia, calidad y características de los materiales empleados en la
construcción, serán las que se señales en las especificaciones de diseño y los
planos constructivos registrados, y deberán satisfacer las NTC del RCDDF y las
normas de calidad establecidas por la Secretaría de Comercio y Fomento
Industrial.
ANÁLISIS DE CARGAS
Análisis de cargas.
En el contenido de los planos del edificio no se encuentran especificados los
materiales de los elementos, por este motivo los materiales que propongo son:
Losa de azotea:
o Impermeabilizante marca “x” con espesor de .5 cm.
o Entortado de 6.5 cm de grosor.
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o Losa maciza con 12 cm de peralte.
o Capa de Tirol de 1 cm.
Losa de entrepiso:
o Piso de loseta cerámica.
o Losa maciza con 12 cm de peralte.
o Capa de Tirol de 1 cm.
Muros:
o Muros divisorios de tabique rojo recocido de 7x12x24.
o Aplanado fino.
Resultando las siguientes cargas:
Losa de azotea Losa de entrepiso
Material Peso (kg/m2) Material Peso (kg/m2)
Impermeabilizante 5 Loseta 30Relleno (entortado) 78 Losa 288
Losa 288 Tirol 16Tirol 16 RCDF 20
RCDF 40 Carga Muerta 354
Carga Muerta 427 Carga Viva 170Carga Viva 100 Carga Total 524Carga Total 527
Determinación de tableros y áreas tributarias.
La siguiente figura nos muestra la ubicación y áreas en de los tableros.
Losa se azotea:
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Losa de entrepiso:
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La tabla siguiente proporciona la carga que se genera en los niveles de entrepiso y
la carga que se genera en el nivel de azotea.
Áreas Tributarias
ÁreaSección (m) Área (m2) Peso (kg/m2)
AzoteaPeso (kg/m2)
Entrepiso
Lado Corto Lado Largo Triangulo Trapeci
o Triangulo Trapecio Triangulo Trapecio
A1 6.20 6.49 9.61 10.51 5064.47 5538.24 5064.47 5296.54A2 2.00 6.20 1.00 5.20 527.00 2740.40 527.00 2620.80A3 4.50 6.20 5.06 8.89 2667.94 4683.71 2667.94 4479.30A4 4.00 6.20 4.00 8.40 2108.00 4426.80 2108.00 4233.60A5 6.20 6.50 9.61 10.54 5064.47 5554.58 5064.47 5312.16A6 4.00 5.40 4.00 6.80 2108.00 3583.60 2108.00 3427.20A7 1.65 3.25 0.68 2.00 358.69 1054.33 358.69 1008.32A8 2.84 3.25 2.02 2.60 1062.64 1369.46 1062.64 1309.69A9 1.65 2.15 0.68 1.09 358.69 576.08 358.69 550.94
A10 2.15 2.84 1.16 1.90 609.01 999.92 609.01 956.28A11 6.20 8.99 9.61 18.26 5064.47 9622.49 5064.47 9202.54A12 2.50 3.25 1.56 2.50 823.44 1317.50 823.44 1260.00A13 2.15 2.50 1.16 1.53 609.01 807.30 609.01 772.07
ANÁLISIS ESTRUCTURAL
Una vez obtenido el análisis de cargas gravitacionales de la estructura, dibujo el
modelo de la estructura considerando longitudes, secciones, materiales y se
vaciaron los datos de cargas al software ETABS 2013.
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Modelado y análisis estructural.
Las cargas gravitacionales se ingresaron en el estado de carga CL = carga viva +
carga muerta, CL = 1.4cm + 1.7cv.
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Y como resultado tenemos:
Momentos:
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Cortantes:
Selección de los elementos de diseño
Se realiza un preselección de las secciones del perfil de acero para las vigas y
columnas, para que el proceso constructivo sea más fácil se optara por
seleccionar un solo tipo de perfil para las vigas y uno para las columnas estos son
W 10 X 39 y W 14 X 34 respectivamente.
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DISEÑO ESTRUCTURAL ETABS 2013
A continuación se realiza el diseño estructural de la trabe más críticas utilizando el
programa.
Diseño de trabes.
ETABS 2013 Steel Frame DesignAISC 360-10 Steel Section Check (Strength Summary)
Element Details
Level Element Location (in) Combo Element Type Section ClassificationNivel 2 B131 3.375 DStlS2 Special Moment Frame W10X39 Compact
LLRF and Demand/Capacity Ratio
L (in) LLRF Stress Ratio Limit 353.9370 1 0.95
Analysis and Design Parameters
Provision Analysis 2nd Order ReductionLRFD Direct Analysis General 2nd Order Tau-b Fixed
Stiffness Reduction Factors
αPr /Py αPr /Pe τb EA factor EI factor0 0 1 0.8 0.8
Design Code Parameters
Φb Φc ΦTY ΦTF ΦV ΦV-RI ΦVT
0.9 0.9 0.9 0.75 0.9 1 1
Section Properties
A (in²) J (in⁴) I33 (in⁴) I22 (in⁴) Av3 (in²) Av2 (in²)11.5 0.98 209 45 8.47 3.12
Design Properties
S33 (in³) S22 (in³) Z33 (in³) Z22 (in³) r33 (in) r22 (in) Cw (in⁶)42.14 11.26 46.8 17.2 4.2631 1.9781 993.2
Material Properties
Diseño Estructuras de Acero Ingeniería Civil
E (lb/in²) fy (lb/in²) Ry α29000000 50000 1.1 NA
Stress Check forces and Moments
Location (in) Pu (kip) Mu33 (kip-ft) Mu22 (kip-ft) Vu2 (kip) Vu3 (kip) Tu (kip-ft)3.375 0 -63.6359 0 -11.804 0 -0.1421
Axial Force & Biaxial Moment Design Factors (H1.3a,H1-1b)
L Factor K1 K2 B1 B2 Cm
Major Bending 0.981 1 1 1 1 1 Minor Bending 0.981 1 1 1 1 1
Parameters for Lateral Torsion Buckling
Lltb Kltb Cb
0.981 1 1.82
Demand/Capacity (D/C) Ratio Eqn.(H1.3a,H1-1b)
D/C Ratio = (Pr /2Pc ) + (Mr33 /Mc33 ) + (Mr22 /Mc22 )0.363 = 0 + 0.363 + 0
Axial Force and Capacities
Pu Force (kip) ϕPnc Capacity (kip) ϕPnt Capacity (kip)0 84.338 517.5
Moments and Capacities
Mu Moment (kip-ft) ϕMn Capacity (kip-ft) ϕMn No LTBD (kip-ft) Major Bending 63.6359 162.4817 175.5 Minor Bending 0 64.5
Shear Design
Vu Force (kip) ϕVn Capacity (kip) Major Shear 11.804 93.744 Minor Shear 0 228.674
End Reaction Major Shear Forces
Left End Reaction (kip) Load Combo Right End Reaction (kip) Load Combo11.804 DStlS2 11.411 DStlS2
Diseño de columnas.
ETABS 2013 Steel Frame Design
Diseño Estructuras de Acero Ingeniería Civil
AISC 360-10 Steel Section Check (Strength Summary)
Element Details
Level Element Location (in) Combo Element Type Section ClassificationNivel 3 C17 0 DStlS2 Special Moment Frame W14X34 Compact
LLRF and Demand/Capacity Ratio
L (in) LLRF Stress Ratio Limit 106.2992 0.787 0.95
Analysis and Design Parameters
Provision Analysis 2nd Order ReductionLRFD Direct Analysis General 2nd Order Tau-b Fixed
Stiffness Reduction Factors
αPr /Py αPr /Pe τb EA factor EI factor0.085 0.059 1 0.8 0.8
Design Code Parameters
Φb Φc ΦTY ΦTF ΦV ΦV-RI ΦVT
0.9 0.9 0.9 0.75 0.9 1 1
Section Properties
A (in²) J (in⁴) I33 (in⁴) I22 (in⁴) Av3 (in²) Av2 (in²)10 0.57 340 23.3 6.14 3.99
Design Properties
S33 (in³) S22 (in³) Z33 (in³) Z22 (in³) r33 (in) r22 (in) Cw (in⁶)48.57 6.9 54.6 10.6 5.831 1.5264 1069.72
Material Properties
E (lb/in²) fy (lb/in²) Ry α29000000 50000 1.1 NA
Stress Check forces and Moments
Location (in) Pu (kip) Mu33 (kip-ft) Mu22 (kip-ft) Vu2 (kip) Vu3 (kip) Tu (kip-ft)0 -42.454 4.8652 22.9192 1.265 5.361 0.0001
Axial Force & Biaxial Moment Design Factors (H1-1b)
Diseño Estructuras de Acero Ingeniería Civil
L Factor K1 K2 B1 B2 Cm
Major Bending 0.907 1 1 1 1 0.232 Minor Bending 0.907 1 1 1 1 0.249
Parameters for Lateral Torsion Buckling
Lltb Kltb Cb
0.907 1.132 2.256
Demand/Capacity (D/C) Ratio Eqn.(H1-1b)
D/C Ratio = (Pr /2Pc ) + (Mr33 /Mc33 ) + (Mr22 /Mc22 )0.664 = 0.064 + 0.024 + 0.577
Axial Force and Capacities
Pu Force (kip) ϕPnc Capacity (kip) ϕPnt Capacity (kip)42.454 333.536 450
Moments and Capacities
Mu Moment (kip-ft) ϕMn Capacity (kip-ft) ϕMn No LTBD (kip-ft) Major Bending 4.8652 204.75 204.75 Minor Bending 22.9192 39.75
Shear Design
Vu Force (kip) ϕVn Capacity (kip) Major Shear 1.265 119.7 Minor Shear 5.361 165.848
Joint Design
Continuity Plate Area (in²) Load Combo Doubler (in) Load Combo1.69 DStlS2 0 DStlS2
DISEÑO ESTRUCTURAL POR MEDIOS MANUALES.
Diseño de viga.
La viga se diseñó de la siguiente manera.
Diseño Estructuras de Acero Ingeniería Civil
Vmax=524 (9 )2
=2358 kgMmax=524 (9)2
8=5305.5 kg−m
Usar fb = 1000 Kg/cm2 para proponer secciones.
S=Mfb
=5305.51000
=5.31cm 3
Se propone una W 10 X 39.
Largo del patín: 20.31 cm
Ancho del patín: 1.35 cm
Altura: 25.2 cm
Ancho del alma: 0.8 cm
Verificando si es compacta la sección:
A) Los patines y el alma se encuentran en forma continua.
B)
bf2tf
=20.312¿¿
C)
bftf
=20.371.35
=15.09
D)
F= Md−tf
= 5305.525.2−1.35
=222.45≈223 kg
Diseño Estructuras de Acero Ingeniería Civil
Af=20.31 (1.35 )+ [25.2−2 (1.35 ) ] .86
=30.5cm2
fa= FAf
= 22330.5
=7.31 kgcm2
Revisando el cortante:
htw
=22.50.8
=28.125< 3700√Fy
=73.6
Fv=.4 Fy=1012 kgcm 2
fv= 87522.5 (0.8 )
=48.61
Revisando por flecha:
∆ max= 5ωl4
384 EI=
5 (5 ) (900 )4
384 (2.039 x106 ) (903 )=23.20 cm
δpermn= l240
+0.5=900240
+ .5=4.25cm
δperms= l480
+0.3=900480
+.3=2.175 cm
δperm= l360
=900360
=2.5cm
Diseño de placa base.
Perfil: W 14 X 34
Fy: 50 ksi
F’c: 3 ksi
Diseño Estructuras de Acero Ingeniería Civil
Zapata de 9 x 9 ft
d: 13.98 in
bf: 6.745 in
A2=(12∗9 ) (12∗9 )=11664∈2
Determinación del área requerida para la placa base.
√ A2A1
≥2
A1= Pu
∅ c (0,85 f 'c )√ A2A1
= 3.470.6∗0.85∗3∗2
=1.22∈2
√ A2A1
=√ 116641.22
=97.78>2
La placa base debe ser por lo menos tan grande como la columna.
A1=d∗bf=13.98∗6.745=94.3∈2
Optimización de las dimensiones de la placa base.
∆=0.95d−0.8bf2
=(0.95∗13.98 )−(0.8∗6.75 )
2=3.94∈¿
N=√A1+∆=√1.22+3.94=5.04∈¿
B= A1N
=1.225.04
=0.24∈¿
Calculo del espesor requerido para la placa base.
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m= N−0.95d2
=5.04−0.95 (13.98 )
2=−4.12∈¿
n=B−0.8bf2
=0.24−0.8(6.745)2
=−2.578∈¿
∅ cPp=0.6 ( 0.85 f ' cA1 )√ A2A1
2
=0.6 (0.85 ) (3 ) (5.04 ) (0.24 ) (2 )=3.7 klb
X= 4dbf(d+bf )2 (
Pu∅ cPp )= 4 (13.98 ) (6.745 )
(13.98+6.745 )2 ( 3.473.7 )=0.823
λ= 2√X1+√1−X
= 2√0.8231+√1−0.823
=1.27>1.0Use1
λn'= λ √dbf4
=1√(13.98 ) (6.745 )4
=2.43∈λmax=2.43
treq=λ√ 2Pu0.9FyBN
=2.43√ 2(3.47)0.9 (36 )(0.24)(5.04)
=1.02∈¿
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