tesis tijeral

UNIVERSIDAD LOS ANGELES DE CHIMBOTEFACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL

PIURA

PROYECTO DE TESIS

“DISEÑO ESTRUCTURAL DE ELEMENTOS DE ACERO”

Presentado por:

Christian Fernando Rodríguez Linares

Piura – 2009

________________________ ________________________

Christian F. Rodríguez Linares Ing. Miguel Chang Heredia

Asesor

TESIS APROBADA POR ELHONORABLE JURADO

_________________________ ________________________Ing. Gilberto Sánchez Gamarra Ing. Rafael Seminario Vásquez Presidente del jurado Secretario

_________________________ ________________________Ing. Dante LLanos Caycho Ing. Miguel Chang Heredia Vocal Patrocinador

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1.- PLANEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN:

1.1- Problema:

¿Cómo debemos diseñar los elementos de acero?¿Qué normas rigen

su diseño? Y ¿Como aplicarlos correctamente? ¿Que tipos de cargas

debemos considerar?

1.2- Hipótesis:

Los elementos estructurales de acero debemos diseñarlos, de acuerdo al procedimiento establecido en el análisis estructural en concordancia

con las normas del AISC-LRFD. y se debe tener en cuenta todas las

combinaciones de cargas que dichas normas estipulan, a fin de que el

diseño se realice con la combinación de carga mas desfavorable, es decir

con la que tenga el mayor valor, y de esta manera obtener un diseño

correcto, en donde la estructura pueda soportar todas las cargas

actuantes sin fallar. Para el diseño debemos considerar básicamente

cuatro tipos de cargas: Carga muerta, carga viva, fuerza de viento y

fuerza de sismo.

1.3- Objetivos de la Investigación:

1.3.1- Objetivo General:

Diseñar la estructura de elementos de acero, tales como las viguetas,

armaduras, columnas y las conexiones.

1.3.2- Objetivos Específicos:

-Diseñar las viguetas de techo. -Diseñar la armadura metálica, cuyos elementos serán ángulos dobles. -Diseñar columnas de acero.

-Calcular las soldaduras en las cartelas para la unión de los ángulos en

las armaduras de techo.

1.4- Justificación:

Este proyecto se justifica, debido a la importancia que tendrá, no solo

para el estudiantado de esta materia, sino; que también será un

elemento de útil de consulta para todo aquel que se dedique o tenga

que ver con el diseño de las estructuras metálicas; puesto que durante

el desarrollo de este proyecto se abordará temas como el diseño de

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armaduras, viguetas de celosía, columnas y conexiones, que tiene

relación con las uniones de pernos o soldaduras.

Hay que resaltar un documento tan importante como es el Instituto

Americano de la Construcción de Acero(AISC). Se trata de un instituto

de investigación, redacción de normas y de divulgación de los

conocimientos que sobre el uso del acero se van adquiriendo.

El AISC. está integrado por los productores de perfiles, por los usuarios

y por los individuos que se encuentran interesados en el desarrollo del

acero como material para la construcción.

Este proyecto también es importante porque en el diseño emplea el

método AISC-LRFD,el cual presenta algunas ventajas tales como:

• Es una herramienta adicional para que el diseñador no difiera en

su concepto de solución que emplea en diseño de concreto

armado, por ejemplo.

• LRFD aparece mas racional y por lo tanto se acerca más a la

realidad de lo que ocurre en la vida útil de la estructura.

• El uso de varias combinaciones de cargas conduce a economía

de la solución, porque se acerca con más exactitud a lo que

ocurra.

• Facilita el ingreso de las bases de diseño conforme más

información esté disponible.etc.

2.- MARCO TEORICO CONCEPTUAL:

2.1- Antecedentes:

Por conocimientos del curso de concreto reforzado o concreto armado,

es sabido que este tiene sus limitaciones en cuanto a luz de los elementos; por

ejemplo en el caso de vigas, estas no deben exceder de los 7 metros

(exactamente la norma Peruana E060 concreto, especifica 7.15 m), según por

lo cual para luces mayores podemos emplear los elementos de acero, que en

el caso de armaduras recibe el

nombre de tijerales.

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A principios del siglo XIX , el diseño estructural era mas arte que ciencia,

pero el desarrollo de los conocimientos ha sido tan significativo en estos

últimos tiempos, que se puede afirmar, que los modelos matemáticos

propuestos para vaticinar el comportamiento de miembros estructurales

individuales, sus conexiones y los conjuntos estructurales y sus apoyos

sobre el terreno ahora son, ahora, de gran precisión, posibilitando que se

asemeje a las cargas reales , usando combinaciones basadas en métodos

estadísticos.

Actualmente en Ingeniería Estructural, se persigue obtener la optimización

del trabajo, mediante:

a) Costo mínimo

b) Peso mínimo

c) Tiempo de construcción mínimo

d) Trabajo mínimo

e) Máxima eficiencia operativa para el propietario.

Muchas veces varios de estos criterios pueden ser combinados.

La labor de diseño se compone de dos partes:

• Los aspectos funcionales de la obra a ejecutar

• El que tiene que ver con diseño de los componentes de la estructura.

En el primer caso, aspectos tales como la provisión de áreas adecuadas de

trabajo, dimensiones mínimas, ventilación, iluminación, facilidades de

transporte, aire acondicionado, energía, posición de equipos, cuidado

ambiental, estética, etc.

Lo segundo, siendo este el diseño estructural, se refiere a la relación de los

miembros para transmitir las cargas con seguridad hasta el suelo.

Se recomienda el siguiente proceso iterativo:

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1.-Planeamiento:

Establecimiento de las condiciones funcionales a las que la estructura

debe servir, aquí se define el criterio de lo óptimo.

2.-Configuracion preliminar estructural:

Aquí es donde la experiencia y lo que se podría llamar el ingenio del

diseñador deben ser importantes. Se tiene que fijar la disposición de los

miembros y sus tamaños iniciales para ser discutidos con el cliente y los

otros profesionales.

3.-Determinacion de las cargas:

Estimadas inicialmente, pero conocidos con más precisión en las

sucesivas iteraciones.

4.-Selección preliminar de los miembros estructurales:

Que permita iniciar un análisis estructural en la siguiente etapa.

5.-Analisis Estructural:

Se crea el modelo matemático mas adecuado a la realidad del

verdadero comportamiento estructural de la edificación. Se aplican los

métodos de la mecánica para determinar los esfuerzos internos que se

esperan que se tengan en los miembros estructurales, con el objeto de

poder compararlos con la resistencia que deberán tener dichos miembros,

cosa que efectúa en el siguiente paso.

6.-Evaluacion:

Se debe preguntar si la resistencia o condiciones de servicio que se

obtienen de acuerdo a un reglamento superan a las demandas que

se establecen en los resultados de la etapa previa.

Si hay un margen de seguridad adecuado y económico se puede dar

por concluido el diseño; si no va la siguiente etapa.

7.-Rediseños:

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Repetición de los pasos 3 a 6, para lograr cumplir los objetivos,

mediante un proceso iterativo.

8.-Decision:

Queda finalmente decidir si es que se ha alcanzado el óptimo

buscado en un diseño. Si se piensa que se ha logrado, entonces se

da por concluido el proceso iterativo.

9.-Elaboracion de planos de diseño y las especificaciones:

En algunos casos, son necesarios la presentación de maquetas o

métodos de izaje, en otros casos se requiere de los llamados planos

de fabricación, que son aquellos en que se detalla cada miembro

para que sea preparados en los talleres, así como todas sus

conexiones.

2.2.- Bases teóricas:

Para el desarrollo del presente proyecto, nos apoyaremos en las

siguientes bases teóricas:

2.2.1. Cargas:

La determinación de las cargas que actúan sobre las estructuras no

puede ser exacta, en magnitud y en ubicación, aun cuando se

conozca la exacta posición de la carga y su magnitud, queda siempre

la interrogante de cómo se trasmiten las cargas en los apoyos del

miembro, por lo que muchas veces, son necesarias suposiciones que

ponen en duda el sentido de la exactitud buscada.

Las cargas básicas en el diseño de las estructuras son:

a) Carga muerta

Es una carga de gravedad fija en posición y magnitud, y se define

como el peso de todos aquellos elementos que se encuentran

permanentemente en la estructura o adheridos a ella, como tuberías,

conductos de aire, aparatos de iluminación, acabados de superficie,

cubiertas de techos, cielos rasos suspendidos, etc. Se completa la

información de estas cargas cuando se ha terminado el diseño.

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En la práctica, los reglamentos de construcción proporcionan tablas

que ayudan al diseñador a tener una mejor idea de la magnitud de

las mismas.

b) Carga viva

Es aquella carga de gravedad que actúa sobre la estructura cuando

esta se encuentra ya en servicio y que puede variar en posición y

valor durante la vida útil de la estructura. Algunos ejemplos pueden

ser, las personas, muebles, equipo móvil, vehículos y mercadería en

depósito, etc. Los reglamentos de construcción toman muy en cuenta

la seguridad de las construcciones y las cargas vivas son

especificadas con cierto exceso de seguridad luego de cuidadosos

estudios estadísticos y de prueba.

c) Impacto

Se define como impacto al efecto dinámico de las cargas vivas

súbitamente aplicadas. No se consideran como cargas de impacto el

transitar de personas o el movimiento de muebles y más bien tiene

efecto algunas cargas de equipos como elevadores o puentes grúas

y equipos de arranque o detención instantáneos. Para considerar el

impacto, el reglamento AISC indica que las cargas vivas nominales

serán incrementadas en su porcentaje como se indica a

continuación:

Para estructuras con elevadores o elevadores de maquinaria ……………100%

Para estructuras con maquinaria, impulsadora por eje o motor ………….. 20%

Para estructuras con maquinaria vibratoria o unidades de

encendido automático no menos de …………….50%

Para tirantes de pisos o voladizos …………….33%

Para viga tecle móvil operada en cabina y todas sus conexiones ………..25%

Para viga tecle móvil operada manualmente

y todas sus conexiones ……………10%

Para el diseño de las llamadas vigas carrileras y sus conexiones que

soportan puentes grúas, se consideran las fuerzas horizontales

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provenientes del frenado del carro – móvil en la siguiente forma: 20%

de la suma del peso levantado más el peso del carro- móvil.

Esa fuerza se considerara aplicada al tope del riel, actuando

perpendicularmente a el y en ambos sentidos y distribuirla de

acuerdo a la rigidez lateral de la estructura que soporta el puente

grúa. Adicionalmente debido a la aceleración o desaceleración del

puente grúa se consideraran fuerzas en la dirección de las vigas

corrillera que no serán menores a 10% de las cargas máximas

aplicadas en las ruedas del puente grúa.

d) Carga de nieve

Aunque en el Perú la mayoría de las estructuras se construyen en

zonas donde la nieve no es significativa, es recomendable que los

techos de las estructuras que se encuentren a una altitud de mas de

3000 m. sean diseñadas para una sobrecarga de nieve de un peso

especifico no menor de 150 kg/cm3, y un espesor no menor de 30

cm.

e) Carga de viento

Todas las estructuras están sujetas a la acción del viento y en

especial las de más de 2 ó 3 pisos de altura o en aquellas en las

zonas donde la velocidad del viento es significativa o en las que

debido a su forma, son más vulnerable a los efectos aerodinámicos.

En el caso de las estructuras de acero, por su peso propio

relativamente bajo y grandes superficies expuestas a la acción del

viento, las cargas del viento pueden ser más importantes que las

cargas debidas al sismo.

Para la determinación de las cargas de viento se empleará las

normas peruanas: E020 cargas (cap. V: viento)

f) Carga de sismo

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Los terremotos producen movimientos horizontales y verticales; los

movimientos horizontales son los que generan en las estructuras los

efectos mas significativos, cuando el suelo se mueve, la inercia de la

masa de la estructura tiende a resistir tal movimiento. Este análisis es

dificultoso para edificaciones, además de las incertidumbres que se

desprenden de las hipótesis a considerar para lograr el modelo

matemático. Es por eso ello que muchos reglamentos aceptan tomar

en cuenta solo la carga aplicada horizontalmente, prescrita en forma

empírica. Esta carga se representa con la expresión:

V=z .u . s.cRP

(Norma E030 Diseño sismo-resistente)

Donde:

z = factor de zona

u = factor de uso

s = factor del tipo de suelo.

c = coeficiente de amplificación sísmica

R = coeficiente de reducción de fuerza sísmica

P = carga permanente sobre la construcción que se calculará

adicionando a la carga muerta cierto porcentaje de la carga viva.

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2.2.2. Tipos de perfiles estructurales:

Hay varios tipos de elementos de acero que se emplean en las

construcciones. Los llamados Productos Laminados en Caliente y

que pueden ser productos no planos (perfiles ángulo, canales,

perfiles a las anchas, tubos, varillas lisas, etc.) y los productos

planos, que son las planchas.

De las planchas, sean estas laminadas en caliente o en frio, se

obtienen los llamados Perfiles Plegados, y los Perfiles Soldados que

son un segundo tipo de perfiles mas empleado en la practica.

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De las planchas o de los perfiles laminados en caliente o plegados o

soldados se pueden formar secciones combinadas soldándolos o

uniéndolos; estas secciones integran un tercer grupo.

Los perfiles solados, usados en Perú, tienen la designación

adoptada, por ITINTEC 341-154.

2.2.3.Aceros Estructurales

De todos los tipos de acero que se pueden producir, los que más

interesan para la construcción son los Aceros Estructurales,

adecuados para resistir esfuerzos, los que deben seguir

cuidadosamente las indicaciones de las normas de fabricación

correspondientes. Los Aceros Estructurales que se usan en

Ingeniería Civil además de su calidad demandan economía. No hay

construcción en Ingeniería Civil que sea competitiva con el acero

caro.

Se van a seguir más Normas ASTM para la descripción de los

diferentes grados de Aceros que ofrece el mercado internacional,

tanto para perfiles, como para pernos y soldaduras.

Sin embargo, cuando se crea oportuno, se mencionaran también las

normas ITINTEC-PERU, existen similitudes entre ambas normas,

como por ejemplo la similitud que hay en el caso de acero Sider E-24

de planchas, con el acero ASTM A36.

En un mundo cada vez más interrelacionado es conveniente emplear

designaciones de material de alcance internacional para poder

aprovechar la potencia de los más recientes desarrollos, en especial

cuando se presentan nuevos conocimientos.

Queda siempre al diseñador la obligación de utilizar el material

nacional similar.

2.2.4 Las especificaciones AISC, como reglamento de Diseño.

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En primer lugar, para apreciar un documento tan importante, se debe

conocer que es el Instituto Americano de la Construcción en Acero

(AISC). Se trata de un instituto de investigación, redacción de normas

y de divulgación de los conocimientos que sobre el uso de acero se

van adquiriendo. Fue fundando en 1912 y desde 1921 ha elaborado

9 versiones de las “Especificaciones para el Diseño, Construcción y

Montaje de Estructuras de Acero para Edificaciones”

El AISC esta integrado por los productores de perfiles, por los

usuarios y por individuos que se encuentran interesados en el

desarrollo del acero como material para la construcción.

Una especificación es un conjunto de reglas que tienen por objeto

conseguir una estructura segura y estable en el tiempo. Es imposible

que las especificaciones involucren todos los aspectos de la

seguridad de una estructura particular por lo que se dice que “el

diseñador es el que tiene la última responsabilidad para una

estructura segura”

Las especificaciones AISC mencionadas anteriormente son

reconocidas en Perú a falta de unas Especificaciones nacionales, de

acuerdo a los indicados por el Reglamento Nacional de

Construcciones.

Dos son los enfoques del Diseño Estructural en Acero conforme lo

disponible a la fecha:

• “Diseño por Esfuerzos Permisibles”, conocido por sus siglas

ASD (Allowable Stress Design)

• “Diseño por Estados Limites”, conocido por sus siglas LRFD

(Load and Resistance Factor Design)

3.- METODOLOGIA:

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3.1.- Tipo de Investigación:

La investigación es del tipo descriptivo y analítico.

3.2.-Diseño de la investigación

Para el diseño de la investigación se ha tomado como referencia las

especificaciones del Instituto Americano para la construcción de acero

(AISC), usando el concepto denominado: Diseño por factores de

cargas y resistencia (LFRD)*, mediante esta norma tanto las cargas

como las resistencias son afectadas por ciertos factores, los cuales

dependen del tipo de esfuerzo que soportan; esta nueva concepción

del diseño desplaza a métodos tradicionales**.

_____________________________________________________________________

*Referencias 5 y 8 **Referencias 2 y 3

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En el desarrollo temático se notará que las estructuras de acero, cada vez son mas frecuentes, porque es muy adecuado para edificaciones donde la rapidez de ejecución, grandes luces y la posibilidad de cambios en la disposición de equipos y de ambientes, lo hace especialmente aplicable.

3.3.-Población y muestra

Para el caso de armaduras metálicas, la población está constituido por 6 tipos tales como: Las armaduras Warren, Howe, Pratt, armadura de arco, Fan y Fink; para nuestro análisis tomamos como muestra la armadura tipo Pratt, por ser la mas usual.

3.4.-Definición y operacionalización de variables

Las variables que participarán en el diseño de las estructuras de acero son:

FY = Esfuerzo de fluencia del acero.

Fu =Esfuerzo de fractura en la sección neta efectiva.

Ag =Area total de la sección transversal.

Фt Pnf =Resistencia de diseño por fluencia del acero.

Фc Pn =Resistencia de diseño por compresión.

Фb Mn =Mto elástico de la sección.

Фb MP =Mto plástico de la sección.

3.5.- Técnicas e instrumentos

a) Técnicas.-

Para el desarrollo del proyecto de investigación seguiremos las técnicas

recomendables en todo diseño, las cuales son*:

• Planeamiento

• Configuración preliminar estructural

• Determinación de las cargas

• Sección preliminar de los miembros estructurales

• Análisis estructural

• Evaluación

• Rediseño

• Decisión

• Elaboración de planos y las especificaciones técnicas.

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b) Instrumentos.-

• Textos guías (referencia bibliográfica 8)

• Especificaciones técnicas de Eternit y tablas (ver anexo)

3.6. Procedimientos de recolección de datos

Dado que el tipo de investigación es descriptivo y analítico, los datos que participan

en los diseños son los pesos y medidas de los materiales comerciales como la

cobertura canalón, las varillas de acero para las viguetas de celosía, los ángulos de

acero, los perfiles como las vigas soldadas, etc.

3.7.- Plan de Análisis

En este proyecto se presentará una estructura de acero tipo pórtico, con una

armadura metálica y se analizará y diseñara los siguientes elementos

estructurales:

I. Diseño de viguetas.

II. Diseño de la armadura.

III. Diseño de las columnas.

IV. Diseño de la plancha de apoyo: Columna- Zapata.

V. Diseño de conexiones.

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ANALISIS DE LA ESTRUCTURA DE ACERO PARA EL DISEÑO DE LOS

ELEMENTOS ESTRUCTURALES

Se trata de diseñar la estructura de una edificación industrial, llamada también

“NAVE INDUSTRIAL”, que se construirá en la ciudad de Piura. Sobre un

terreno de 16mts. x 60mts. La estructuración es a base de columnas de acero,

de 8 m. de longitud y con armaduras tipo pratt con una pendiente del 10%. Los

elementos serán ángulos dobles y sus conexiones soldadas. Las armaduras

estarán espaciadas cada 5 metros. La cobertura estará formada por planchas

de canalón de 7.40mts. x 0.96metros. Las viguetas serán de celosía con

ángulos dobles en la parte superior y con una varilla de acero corrugado en la

parte inferior. Los arriostres de las viguetas también serán de acero corrugado

de un diámetro de 3/8”. La parte posterior y lateral de la nave estarán cubiertos

por paneles termo acústicos TAP–100. El arriostramiento en X como

diagonales, tanto en la cobertura como en la parte lateral se acostumbra que

sean varillas lisas con extremos roscados y conexiones de extremos cuyo

detalle requiera tuerca y contratuerca.

Considere que la zapata es de 1.80 x 1.80mts. f’c = 210 Kg/cm2.

Capacidad Portante del suelo σt = 0.80 Kg/cm2.

Usar acero A – 36 para los perfiles.

Se solicita:

I. Diseño de viguetas.

II. Diseño de la Armadura:

- Diseño de la Brida Superior.

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- Diseño de la Brida Inferior.

- Diseño de las Montantes.

- Diseño de las Diagonales.

- Diseño de la Tornapunta.

III. Diseño de las Columnas.

IV. Diseño de la Plancha de Apoyo: Columna – Zapata.

V. Diseño de Conexiones.

NAVE INDUSTRIAL

Peralte o flecha de la armadura:

f = 10%L a 20%L ; tomamos f=15%Lf = 0.15 (16) = 2.40m.

y = 10%L/2 = 0.10 (16/2) = 0.80m. a = f – y → a = 2.40 – 0.80 = 1.60m.

Peso del canalón= Peso de la PlanchaÁrea Útil= 100 Kg.6.44m2=15.53 ≈16Kg/m2

Peso (asumido) de las viguetas = 10 Kg/m.

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Sobrecarga sobre el techo (Cobertura Liviana) = 30 Kg/m2.

Área tributaria del nudo de techo:

- Nudo interior:

At = 2.00mx5.00m = 10.00m2.- Nudo extremo:

At = 1.00mx5.00m = 5.00m2.

I. DISEÑO DE VIGUETAS

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a. Altura de la Vigueta: h = L/20 → h = 500cm/20 = 25cm. = 0.25m. Número de vanos :

•Si α = 45º tgα=hl2 → tg45º=25l2 → l=50cm.

•Nº de vanos = 500 cm.50 cm.=10

b. Metrado de cargas: b.1 Carga Muerta (WD)

- Peso de la cobertura (Canalón) = 16 kg/m2 x 2.00m.= 32 kg/m. Ancho tributario

- Peso propio de la vigueta (Asumido) = 10 kg/m.

WD = 42 kg/m. de

vigueta. b.2 Carga Viva (WL)

- Carga Viva = 30 kg/m2. (Cobertura Liviana RNE) WL

= 30 kg/m2 x 2.00m.= 60 kg/m. de vigueta. La carga factorada según AISC – LRFD es:

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WU = 1.4WD = 1.4 (42) = 58.80 kg/m. WU = 1.2WD + 1.6WL = 1.2 (42) + 1.6 (60) = 146.40 kg/m.

∴Wu=146.40 kg/m.

c. Momento máximo actuante en la vigueta: M = WL2/8 M = (146.40) (5)2/8 = 457.50 kg.m.

d. Fuerza de Tracción (T) y Compresión (C): M = T.d → T = M/d M = C.d → C = M/d T = C = Md; donde: d ≈ 95%h. T = C = M0.95h= 457.50 kg.m0.95(0.25m) T = C = 1926.32 kg.

e. Diseño de la brida inferior (Tracción):

•Por fluencia del acero, el área requerida es: Ag=PU∅tfy=1926.32 kg.0.90x4200 kg/cm2=0.51 cm2 ∴USAR:1∅3/8" (A=0.71cm2)

f. Diseño de la brida superior (Compresión):

•Diseño por compresión:

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PU = 1926.32 kg. ≈ 1.93 Tn. Lx = 50cm.

1. Por resistencia de diseño a compresión: ℓx = 50cm. ∅c Pn ≥ 1.93Tn. ℓx = 30cm. → ∅c Pn = 6.00Tn. ℓx = 50cm. → ∅c Pn = x ℓx = 60cm. → ∅c Pn = 4.80Tn. 50cm.-30cm.60cm.-30cm.=x-6.004.80-6.00 → x =

0.80 → para ℓx = 50cm. ∅c Pn = 6.00 – 0.80 ∅c Pn = 5.20Tn. > 1.93Tn.…… Ok. Luego:

2∠s: 1”x1”x1/8” A = 3.025 cm2. r = 0.772 cm.

2. Comprobación:

a. Por esbeltez: KLxrx= 1(50cm.)0.772cm.=65 <200…..Ok.

b. Por carga admisible: ∅c Pn = ∅c Fcr Ag.

Con: KLxrx=65 → ∅c Fcr = 1.73 T/cm2. (A-17) ∅c Pn = 1.73 T/cm2

x 3.025 cm2. ∅c Pn = 5.23 Tn. > PU = 1.93 Tn. …Ok.

∴Usar para la brida superior: 2∠s: 1”x1”x1/8”

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SECCIÓN TRANSVERSAL DE VIGUETA

II. DISEÑO DE LA ARMADURA: Área tributaria en los nudos de techo:

- En nudos intermedios = 2.00m x 5.00m = 10.00m2.- En nudos extremos = 1.00m x 5.00m = 5.00m2.

a. Carga Muerta (D):

- Peso de la cobertura (Canalón) = 16.00 kg/m2.- Peso en el nudo debido al peso de las vigueta =

# de viguetas = 1x10 kg/m x 5m5m

x2m.=5.00 Kg/m2

- Peso de la cercha y arriostramiento (Estimado) = 20.00 kg/m 2 . CM = 41.00 kg/m2.

Carga muerta en cada nudo del techo:

•Nudos intermedios : PD = 41.00 kg/m2.x 10.00m2. = 410.00 kg.•Nudos extremos : PD = 41.00 kg/m2.x 5.00m2. = 205.00 kg.

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b. Carga Viva (L): La sobrecarga o carga viva sobre el techo es: C.V = 30.00 kg/m2.

•Nudos intermedios : PL = 30.00 kg/m2.x 10.00m2. = 300.00 kg.•Nudos extremos : PL = 30.00 kg/m2.x 5.00m2. = 150.00 kg.

c. Carga de Viento (W): Carga horizontal de viento en el alero (Barlovento) = paxS2

La altura de la edificación es : H = 6.40 + 1.60 + 0.80 = 8.80m. La velocidad del viento es :

V = 75 Km/h ; si H ≤ 10.00m. VKm/h = 75 (H/10)0.22 ; si H > 10.00m.

Luego para H = 8.80m. < 10.00m. → V = 75 Km/h.

La presión del viento es: p = 0.005CV2

Para superficies verticales (alero) y para Barlovento: C = +0.8

p = 0.005(+0.8) (75)2 = 22.50 kg/m2. Luego la carga horizontal de viento en el alero =

22.5Kgm2x1.6mx5m2=90Kg. Carga horizontal de viento a nivel de la brida inferior = phxS2

= 22.5Kgm2x8.0mx5m2=450Kg. Carga debidas a la succión que ejerce el viento sobre la cobertura

(Sotavento):

La cobertura es una superficie inclinada:

tgθ=0.8m8m=0.10 → θ = 5.71º

En la tabla 5.4 para superficies inclinadas a 15º ó menos (Sotavento): C = -0.6

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p = 0.005CV2 = 0.005(-0.6) (75)2 ≈ -17.00 kg/m2.

Luego:- En nudos intermedios: PD = -17.00 kg/m2.x 10.00m2. = -170.00 kg.- En nudos extremos : PD = -17.00 kg/m2.x 5.00m2. = - 85.00 kg.

Nota: En este sistema de carga de viento (W), se desarrolla toda la Armadura incluyendo las tornapuntas.

d. Carga de Sismo (E): Área tributaria de un pórtico interior = LxS = 16m.x5m. = 80m2.

1. Metrado de cargas 1.1 carga muerta

Peso de la cobertura (Canalón) = 16.00 kg/m2.x 80.00m2. = 1280 kg. Peso de viguetas = 9 viguetasx (10 kg/m x 5.00m) = 450 kg. Peso de la cercha y arriostramiento = 20 kg/m2x 80m2. = 1600 kg. Peso de columnas (estimado 75 kg/m) =

= 75Kg/m x12x8.00mx2columnas=600Kg.

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Peso de los muros laterales (paneles termo acústico TAP-100 ”espesor =100mm”)

=

12.29kgm25mx8m2x2muros=941.60kg.

PD = 4421.60 kg.

1.2 Carga Viva.

Carga Viva sobre el techo (cobertura liviana) = 30 Kg/m2.

PL = 30Kg/m2x80m = 2400 Kg.

2. Fuerza Sísmica (V) : Norma N.T. E020 Diseño sismorresistente: V= Z.U.S.CRxP

Donde:

Z = Factor de Zona = 0.4 (Piura → Zona 3) U = Factor de Uso = 1.3 (Comercial → Categoría B) S = Factor de Suelo = 1.4 (Suelo III → Suelo Blando) C = Factor de Amplificación Sísmica → C=2.5 TpT ; C ≤ 2.5

Tp: Período de vibración del suelo = 0.9 (Suelo III) T: Período Fundamental de la Estructura: T= hnCt T: 8.8 (Altura de la edificación) 35 (Coeficiente para estructuras aporticadas de Acero)

T = 0.25

Luego: C= 2.5 (0.9/0.25) = 9 > 2.5 → se tomará C = 2.5

R = Factor de Reducción de la fuerza Sísmica = 9.5 (Estructura Aporticada de Acero)

P = Peso de la Estructura P = PD + % PL; para uso Comercial (Categoría B): se toma el 50% de la carga viva. P = 4421.60 + 0.50 (2400) P = 5621.60 Kg.

Luego:

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V= 0.4*1.3*1.4*2.5*P9.5=0.19 P=19% P

V = 0.19* 5621.60 = 1069 Kg.

Combinaciones AISC – L.R.F.D.

1) U = 1.2 D + 1.6 L2) U = 1.2 D + 0.5 L + 1.3 W3) U = 1.2 D + 0.5 L + 1.5 E

27

• De los valores obtenidos en estas combinaciones, se tomará el mayor.

1. Diseño de la Brida Superior : Se diseña el elemento de la brida superior que tenga mayor esfuerzo.

Diseño por Compresión:

PU = 7.41 Tn = 7410 Kg. Lx = 2.01 m. = 201 cm.

a. Por resistencia de diseño a compresión, se busca en tablas el valor de:

∅c ≥ 7.41 Tn (Pu), correspondiente a Lx = 2.01 m.

ℓx = 180cm. → ∅c Pn = 10.0Tn. ℓx = 201cm. → ∅c Pn = x ℓx = 210cm. → ∅c Pn = 7.80Tn. 201cm.-180cm.210cm.-180cm.=x-10.07.80-10.0 →

x = 1.54 → para ℓx = 201cm.

∅c Pn = 10.0 – 1.54 ∅c Pn = 8.46Tn. > 7.41Tn.…… Ok. Luego: 2∠s: 2”x2”x3/16” A = 9.226 cm2. r = 1.567 cm.

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b. Comprobación: b.1 Por esbeltez: KLxrx= 1(201cm.)1.567cm.=128 <200…..Ok. b.2 Por carga admisible: ∅c Pn = ∅c Fcr Ag. Con: KLxrx=128 → ∅c Fcr = 0.91 T/cm2. (A-17) ∅c Pn = 0.91 T/cm2

x 9.226 cm2. ∅c Pn = 8.40 Tn. > PU = 7.41 Tn. …Ok. ∴ Usar para la brida superior: 2∠s: 2”x2”x3/16”

2. Diseño de la brida inferior: Se diseña el elemento de la brida inferior que tenga mayor esfuerzo.

Diseño a tracción:

Pu = 737 Tn = 7370 Kg. Lx = 2.00 m. = 200 cm. Esbeltez: Lxrx ≤300 → rx ≥Lx300= 200 cm.300

rx ≥ 0.67 cm.

a. Por Fluencia del Acero:

Pu = ∅t Fy Ag

Donde:

∅t = 0.90 Fy = 36 Ksi = 2530 Kg/cm2

El área requerida es: Ag= Pu ∅t.fy=7370 Kg. 0.90x2530 Kg/cm2=3.24cm2.

En Tablas (A-24) 2 ∢s : 1 ¼ ” x 1 ¼ ” x 1/8” A = 3.832 cm2 > 3.24 cm2

rx = 0.978 cm > 0.67 cm

b. Comprobación: b.1 Por Esbeltez: Lxrx= 200cm.0.978cm.=205 <300…..Ok.

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b.2 Por conexiones:

∅t Pnr = ∅t Fu Ae. Ae ≈ 0.85 Ag. ∅t Pnr = 0.75 x 4080x(0.85x3.832) = 9967Kg. ∅t Pnr = 9.97 Tn. > PU = 7.37 Tn. ……Ok.

∴ Usar para la brida inferior: 2∢s: 1 ¼” x 1 ¼“x 1/8”

3. Diseño de diagonales: 3.1 Diagonales 1 – 10 y 9 – 16

Diseño a tracción: PU= 4.83 Tn = 4830 kg Lx = 2.56 m = 256 cm

Esbeltez: Lxrx ≤300 →rx≥ Lx300 = 256 cm300 rx ≥0.85 cm

a. Por fluencia del acero: Pu= ∅t fy Ag

El área requerida es:

Ag= Pu∅t . Fy = 4830 kg0.90*2530 kg/cm2 =2.12 cm2 En tabla: (A-24) 2∢s: 1 ¼” x 1 ¼”x1/8” A= 3.832 cm2 > 2.12 cm2 rx= 0.978 cm > 0.85 cm.

b. Comprobación:

30

b.1 Por esbeltez:

Lxrx=2560.978 = 262 < 300…….Ok.

b.2 Por conexiones:

∅t Pnr = ∅t Fu Ae. ∅t Pnr = 0.75 x 4080x(0.85x3.832) = 9967Kg. ∅t Pnr = 9.97 Tn. > PU = 4.83Tn. ……Ok. ∴ Usar para las diagonales 1-10 y 9-16: 2∢s: 1 ¼” x 1 ¼“x

1/8” 3.2 Diagonales 2-11 y 8-15

Diseño a tracción: PU= 2.74 Tn = 2740 kg Lx = 2.69 m = 269 cm





b. Comprobación:

31

b.1Por esbeltez:

Lxrx=2690.978 = 275 < 300…….Ok.

b.2 Por conexiones:


1/8” 3.3 Diagonales 3-12 y 7-14


PU= 1.34 Tn = 1340 kg Lx = 2.83m = 283 cm





b. Comprobación:

32

b.1Por esbeltez:

Lxrx=2830.978 = 289 < 300…….Ok.

b.2 Por conexiones:


1/8” 3.4 Diagonal 6-13


PU= 0.39 Tn = 390 kg Lx = 2.97m = 297 cm





b. Comprobación:

33

b.1Por esbeltez:

Lxrx=2970.998 = 298 < 300…….Ok.

b.2 Por conexiones:

∅t Pnr = ∅t Fu Ae. ∅t Pnr = 0.75 x 4080x(0.85x5.594) = 14550Kg. ∅t Pnr = 14.55 Tn. > PU = 0.39Tn. ……Ok. ∴ Usar para la diagonal 6-3: 2∢s: 1 ¼” x 1 ¼“x 3/16”

3.5 Diagonal 4-13

Diseño por Compresión:

PU = 1.19 Tn = 1190 Kg. Lx = 2.97 m. = 297 cm.

a. Por resistencia de diseño a compresión.

ℓx = 270cm. → ∅c Pn = 3.30Tn. ℓx = 297cm. → ∅c Pn = x ℓx = 300cm. → ∅c Pn = 2.70Tn. 297cm-270cm.300cm-270cm.=x-3.302.70-3.30 →

x = 0.54 → para ℓx = 297cm.

∅c Pn = 3.30 – 0.54 ∅c Pn = 2.76 Tn. > 1.19Tn.…… Ok. Luego: 2∠s: 2”x2”x1/8” A = 6194 cm2. r = 1.590 cm.

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b. Comprobación: b.1 Por esbeltez: KLxrx= 1(297cm.)1.590cm.=187 <200…..Ok. b.2 Por carga admisible: ∅c Pn = ∅c Fcr Ag. Con: KLxrx=187 → ∅c Fcr = 0.43T/cm2. (A-17) ∅c Pn = 0.43T/cm2

x 6.194 cm2. ∅c Pn = 2.66Tn. > PU = 1.19Tn. …Ok. ∴ Usar para la diagonal 4-13: 2∠s: 2”x2”x1/8”

4. Diseño de Montantes 4.1 Montantes 2-10 y 8-16

Diseño por compresión:

=1.80 m = 180cm.

1. Por resistencia de diseño a compresión:

De la tabla (A-24) Usar 2∢s de 1½”x1½”x1/8”

35

2. Comprobación

a) Por esbeltez:

; 153 < 200............OK

b) Por carga admisible:

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