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Documento guía para el diseño estructural para el diseño de una nave industrial.
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UNIVERSIDAD DE CUENCA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
PROYECTO: DISEO ESTRUCTURAL DE UNA NAVE INDUSTRIAL
ETAPA V: DISEO DEFINITIVO DE LOS ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN LA
NAVE INDUSTRIAL Y PRESENTACIN DE LOS CORRESPONDIENTES
PLANOS EJECUTIVOS
AUTORES:
DIEGO BRAVO (100%)
DANIEL CARRIN (100%)
CHRISTIAN ORELLANA (100%)
PROFESOR: ING. NELSON NAVARRO (PHD)
DCIMO SEMESTRE
JULIO - 2015
Diseo Estructural de una Nave Industrial
2
ETAPA IV: Diseo de los elementos que constituyen la nave industrial (losa del entrepiso,
columnas de hormign, vigas rectangulares y viga carrilera, cercha metlica, elementos de
fachada,) con el objeto de determinar el acero de refuerzo requerido y garantizar la estabilidad
de toda la estructura.
En esta nueva etapa se proceder al diseo de los elementos previamente mencionados,
basndonos en los requerimientos del ACI (para el caso de estructuras de concreto armado) y del
Manual LRFD (para el caso de estructuras de acero).
Para ello, usaremos las cargas actuantes especificadas en la Etapa III junto a los diagramas de
momento y cortante de cada elemento, obtenidos en la Etapa IV.
1. Losa de Alivianamiento para el entrepiso
De la Etapa III, se tienen las cargas que se presentan a continuacin:
Carga Muerta 607 kg/m
Carga Viva 240 kg/m
Combinacin 1113 Kg/m
Tabla 1.1
De la Etapa IV, se tiene que el valor mximo, obtenido para el diagrama de momento es 2663,73
kg*m
Se procede a disear como losas bidireccionales (6m*6 m)
Figura 1.1
Diseo Estructural de una Nave Industrial
3
Para el efecto, existen tablas que facilitan el diseo de losas (Anexo 1), mediante el Mtodo de los
Coeficientes del ACI.
Se tomaron en cuenta los tres tipos genricos de condiciones de borde, presentes en dichas
tablas.
Figura 1.2
Considerando los tipos de borde de la figura anterior, para nuestro diseo, se tiene el Caso 7 de las
tablas (Anexo 1), el cual se expone a continuacin:
Figura 1.3
Datos principales:
VARIABLE VALOR UNIDADES FORMULA USADA
f'c 240 Kg/cm2 DATOS BASICOS
Fy 4200 Kg/cm2
0,9 flexin
h 10,0 cm ALTURA DE LA LOSA
H 30,0 cm ALTURA TOTAL
Diseo Estructural de una Nave Industrial
4
rec 2,0 cm RECUBRIMENTO
b 10,0 cm ANCHO DEL NERVIO
d 28,0 cm PERALTE EFECTIVO = H - REC.
H-h 20,0 cm
Tabla 1.2
Figura 1.4
El Cdigo Ecuatoriano de la Construccin y el ACI definen deflexiones mximas calculadas para
losas macizas y nervadas que varan desde Ln/180 hasta Ln/480, dependiendo del uso de la losa.
Mediante la ecuacin bsica se establece la altura mnima genrica de la losa (Tabla 1.3)
=(800 + 0.00712)
36000 + 5000( 0,2)
h: peralte o espesor de la losa maciza
:
Diseo Estructural de una Nave Industrial
5
Control de deflexiones y clculo de la altura mnima:
Tabla 1.3
El clculo del acero a flexin:
La disposicin del acero es como se detalla en el Anexo 2.
Tabla 1.4
Diseo Estructural de una Nave Industrial
6
Verificacin del cortante:
Tabla 1.5
Clculo del acero por retraccin del fraguado:
VALOR UNIDADES FORMULA USADA
sugerido 0,0018 CUANTIA SUGERIDA POR RETRACCION DE FRAGUADO
As 0,900 cm2 As = * 100 cm * h/2
e max 45 cm SEPARACION MAXIMA
Tabla 1.6
Las varillas comerciales a usar al igual que la malla electrosoldada (acero por contraccin y
temperatura) constan en el Anexo 3 (Casa Comercial Adelca).
2. Vigas perimetrales para el entrepiso
Las vigas perimetrales junto a la losa alivianada son diseadas para que sean sometidas a un
mismo proceso de fundicin. En la grfica se puede observar que todas las vigas tienen la misma
luz (6m) y recibirn la misma cantidad de carga, por lo que se disear para una sola.
Se escoge el menor{ max = 5
max = 45 .
Requiere malla electrosoldada, la
cual consta en el plano
correspondiente
Diseo Estructural de una Nave Industrial
7
Figura 2.1
Para este caso, la carga distribuida debe ser estimada para el
valor de aporte a cada una de las vigas, lo que nos da:
Carga = 1113 kg/m2 * 3 m = 3339 Kg/m
Como la carga es triangular, se considera ponderar a la misma
para convertirla en carga distribuida y facilitar el clculo y el
anlisis; esto es:
q = 2/3 * 3339 = 2226 kg/m
Figura 2.2
El valor de 2/3 es una relacin de reas entre el tringulo y el rectngulo.
3339
Vigas perimetrales
Diseo Estructural de una Nave Industrial
8
Diseo de la viga del Eje A, entre 1-2:
Figura 2.3
Datos para determinar la cantidad de acero inferior:
Luz = 6m
Resistencia del hormign armado fc =240 kg/m2
Resistencia del acero fy = 4200 kg/m2
Con los datos anteriores determinamos la cantidad de acero inferior para la seccin:
2226 62
8= 1122444.
As mn 1,2
# varillas 3
(mm) 14
As (cm2) 9,24
Mn 1,15E+06
Determinamos el acero superior por cuanta mnima:
As mn 1,2
# varillas 3
(mm) 20
As (cm2) 4,71
Refuerzo transversal:
estribos (cm)= 1 cm
# Ramales = 2
Diseo Estructural de una Nave Industrial
9
As = 0,503
Ay= 1,005
S = 20cm
Con la cantidad de acero requerido, se observa a continuacin que la seccin es adecuada y no
requiere refuerzo adicional.
Figura 2.3
Las varillas comerciales a usar constan en el Anexo 3 (Casa Comercial Adelca).
3. Cubierta
En la figura se ilustra a la cercha metlica, elemento principal de cubierta. La misma est
constituida por planchas de eternit, correas G, canales U y perfiles dobles angulares (detallado en
las Etapas III y IV).
Figura 3.1
Diseo Estructural de una Nave Industrial
10
Los perfiles comerciales usados (Anexo 4) para cada elemento de la cubierta, con sus respectivas
fuerzas interiores se detallan a continuacin:
Elemento Long (m) Perfil Tipo Fuerza Interior (N) Estado
AB 2,00 U 437776,15 Tensin
AF 2,00 U 45027,26 Compresin
AG 3,01 2L 655323,22 Compresin
FG 2,01 U 448,06 Compresin
BG 2,25 2L 1,28 Tensin
BC 2,00 U 437776,15 Tensin
CG 3,01 2L 413165,31 Tensin
CH 2,50 2L 89962,94 Compresin
GH 2,01 U 716896,91 Compresin
CD 2,00 U 871039,23 Tensin
CI 3,40 2L 271124,85 Compresin
HI 2,01 U 717057,78 Compresin
DI 2,75 2L 4,51 Compresin
DE 2,00 U 871039,23 Tensin
EI 3,40 2L 123997,91 Tensin
IJ 2,01 U 951099,32 Compresin
EJ 3,00 2L 89940,78 Compresin
EK 2,00 U 950200,21 Tensin
EL 3,82 2L 12199,99 Compresin
JL 2,01 U 951106,77 Compresin
KL 3,25 2L 0,95 Compresin
KM 2,00 U 950200,21 Tensin
ML 3,82 2L 91285,60 Compresin
LS 2,01 U 909845,02 Compresin
MS 3,50 2L 143040,61 Tensin
MN 2,00 U 943628,14 Tensin
MT 3,82 2L 78705,52 Compresin
ST 2,01 U 909825,87 Compresin
NO 2,00 U 943628,15 Tensin
NT 3,25 2L 1,27 Compresin
OT 3,82 2L 21630,43 Compresin
TU 2,01 U 939456,23 Compresin
OU 3,00 2L 86058,71 Compresin
OP 2,00 U 856523,57 Tensin
OV 3,40 2L 129112,08 Tensin
UV 2,01 U 939388,99 Compresin
PV 2,75 2L 0,59 Compresin
PQ 2,00 U 856523,57 Tensin
Diseo Estructural de una Nave Industrial
11
QV 3,40 2L 271816,50 Compresin
VW 2,01 U 702067,18 Compresin
QW 2,50 2L 86059,98 Compresin
QR 2,00 U 425562,76 Tensin
QX 3,01 2L 409132,68 Tensin
WX 2,01 U 701987,63 Compresin
RX 2,25 2L 0,20 Compresin
RY 2,00 U 425562,76 Tensin
XY 3,01 2L 640695,15 Compresin
XZ 2,01 U 45,22 Compresin
YZ 2,00 U 43030,73 Compresin
Tabla 3.1
Para el caso de la carga muerta de la cubierta fueron necesarias 14 Correas Tipo G, 72
planchas de eternit, 7 caballetes, adems de los perfiles U y de los angulares dobles
especificados a continuacin.
Carga Muerta = 3186,26 kg/m
Viento (WI) = 66 kg/m
Viento (WD) = -131 kg/m
Carga Viva = 420 kg/m
Tabla 3.2
La presin de viento difiere en la parte izquierda (WI) y derecha (WD) de la cubierta, por
considerar al Barlovento y Sotavento respectivamente.
La carga viva fue especificada como 70 kg/m2 (mantenimiento) la misma que acta en 6m
de cubierta (corresponde al ancho colaborante).
Figura 3.2
Con ello, y aplicando la combinacin respectiva (Norma NEC), se tiene:
Diseo Estructural de una Nave Industrial
12
Combinacin = 1,2 D + 1,6L + W Parte Izquierda 4561,26 kg/m 44745,96 N/m
Parte Derecha 4364,02 kg/m 42811,07 N/m
Tabla 3.3
Los valores obtenidos en la Tabla 3.3 deben ser repartidos en cada uno de los nodos considerados
en la cubierta (tomando en cuenta un rea de influencia para cada nodo), con el fin de obtener los
valores puntuales que servirn para la determinacin de los diagramas respectivos y que sern
considerados en el esquema de anlisis (Figura 3.3).
Cargas puntuales:
Nodo Real Carga (N) Nodo Real Carga (N)
F 44969,69 S der 43025,13
G 89939,38 T 86050,25
H 89939,38 U 86050,25
I 89939,38 V 86050,25
J 89939,38 W 86050,25
L 89939,38 X 86050,25
S izq 44969,69 Z 43025,13
Tabla 3.4
Figura 3.3
Diseo Estructural de una Nave Industrial
13
Para el diseo a traccin de la armadura hemos hecho uso del Metodo LRFD considerando el
captulo C1 y C2 del AISI en donde el coeficiente b es igual a 0.90. La frmula a utilizar es la
siguiente:
Pn= Ag*Fy
Ag: seccin bruta
Fy= resistencia del acero.
Resistencia a la compresin:
Para el presente diseo, nos basamos en el mtodo LRFD del AISI capitulo C4.
El coeficiente c establecido es igual a 0.85. Utilizando la siguiente frmula:
Pn= Ae*Fn
En este caso Ae = Ag, debido a que totalmente todo va soldado
Y Fn se determina de la siguiente manera:
Para c 1.5 = (0.658
2) o Para c > 1.5 = [
0.877
2 ]
Donde, c =
En los cuadros mostrados a continuacin, se presenta el diseo para la barra JL (caso ms
desfavorable a compresin) y para la barra CD (caso ms desfavorable a traccin).
Diseo a compresin Barra JL F (kg) 95111 E Kg/cm^2 2,00E+06 L (m) 2,01 fy (kg/cm2) 4200 c 0,85 Perfil U rea de seccin (cm2) 13,52 Ala menor b (mm) 60 Ala mayor a (mm) 125 Espesor t (mm) 6 Inercia (cm4) 309,25 Radio de giro cm 4,78
Diseo Estructural de una Nave Industrial
14
Esbeltez 157,14 c 0,58 fcr 2185,28 Pn 7845,16779 Pu 98868,39 Correcto
T 12,23 b/t 8 no pandeo
Tabla 3.5
Diseo a traccin
Barra CD
F (kg) 87104
E (Kg/cm^2) 2,00E+06
L (m) 2
fy (kg/cm2) 4200
t 0,9
Perfil U
rea de la seccin (cm2) 13,52
Ala menor b (mm) 60
Ala mayor a (mm) 125
Espesor t (mm) 6
Inercia (cm4) 309,25
Radio de giro (cm) 4,78
Esbeltez 157,14
admisible 300,00
Tu perfil(kg) 89165
correcto
Tabla 3.6
De las tablas anteriores, se puede constatar que no existir pandeo en la estructura.
Diseo Estructural de una Nave Industrial
15
4. Diseo de las mnsulas Se construir mnsulas para soportar las vigas del entrepiso y las vigas del puente gra. Los parmetros de diseo se basan en la seccin 11.8 del ACI 318-08: Disposiciones especiales para mnsulas y cartelas.
Para el caso de las mnsulas que soportarn las vigas del entrepiso, se tiene de la Etapa IV:
R2 = 25157,233 N
M2 = R2*e = 12578,17 N.m
En donde se consider a la mnsula con las siguientes dimensiones (ancho 0.4m, alto 0.7m):
Figura 4.1
Diseo Estructural de una Nave Industrial
16
A continuacin se procede a determinar el acero de refuerzo y verificar que cumpla con las
normas del ACI:
Figura 4.2
Con lo que se tiene finalmente:
Figura 4.3
Diseo Estructural de una Nave Industrial
17
Para el caso de las mnsulas que soportarn la viga carrilera, se tiene de la Etapa IV:
R1 = 50784,45 N
M1 = R1*e = 27931,45 N.m
En donde se consider a la mnsula con las siguientes dimensiones (ancho 0.5m, alto 0.7m):
Figura 4.4
Diseo Estructural de una Nave Industrial
18
A continuacin se procede a determinar el acero de refuerzo y verificar que cumpla con las
normas del ACI:
Figura 4.5
Con lo que se tiene finalmente:
Figura 4.6
8
10 cm
Diseo Estructural de una Nave Industrial
19
5. Columnas
De la Etapa IV se tiene que las cargas que va a soportar cada columna de hormign son: Caso 1: Columnas que consideran las mnsulas del entrepiso y de la viga carrilera
R1 = 50784,45 N
M1 = 27931,45 N.m
R2 = 25157,233 N
M2 = 12578,17 N.m
RA = 533411,187 N
Para tal efecto, se escoge una seccin de 60x60cm, con aceros en las cuatro esquinas y en el
medio, con un total 8 varillas de dimetro de 1.4cm; y tambin estribos de 10mm de dimetro.
La carga ltima obtenida para esta columna es 28940 Kg
El diagrama de interaccin correspondiente para las condiciones anteriores es el siguiente:
Diseo Estructural de una Nave Industrial
20
Figura 5.1
Como se puede observar la carga ltima de la columna cae dentro del diagrama de interaccin por
lo tanto la seccin y el acero escogido es correcto.
Caso 2: Columnas que consideran nicamente la mnsula de la viga carrilera
R3 = 50784,45 N
M3 = 27931,45 N.m
RY = 522526,603 N
Para tal efecto, se escoge una seccin de 60x60cm, con aceros en las cuatro esquinas y en el
medio, con un total 8 varillas de dimetro de 1.4cm; y tambin estribos de 10mm de dimetro.
-1.E+05
0.E+00
1.E+05
2.E+05
3.E+05
4.E+05
5.E+05
6.E+05
0.E+00 1.E+06 2.E+06 3.E+06 4.E+06 5.E+06
Pn
(kg
)
Mn(Kg*cm)
Diseo Estructural de una Nave Industrial
21
La carga ltima obtenida para esta columna es 18706 Kg El diagrama de interaccin correspondiente para las condiciones anteriores es el siguiente:
Figura 5.2
Como se puede observar la carga ltima de esta columna est dentro del diagrama de interaccin
por lo tanto la seccin y el acero escogido es el correcto.
Caso 3: Columnas que soportarn la losa del entrepiso
Figura 5.3
-1.E+05
0.E+00
1.E+05
2.E+05
3.E+05
4.E+05
5.E+05
6.E+05
0.E+00 1.E+06 2.E+06 3.E+06 4.E+06 5.E+06
Pn
(kg
)
Mn(Kg*cm)
Diseo Estructural de una Nave Industrial
22
Para este caso, se escoge una seccin de 40x40cm, con aceros (varillas de dimetro de 1,4cm) en
las cuatro esquinas de la seccin, se colocarn en total 12, junto a estribos de 10mm de dimetro.
A stas columnas se transmiten el peso de las vigas perimetrales ms la losa alivianada (835kg
para cada una de las 4 columnas).
Ya en el diseo, la carga ltima obtenida fue de 24706 Kg
El diagrama de interaccin correspondiente para las condiciones anteriores es el siguiente:
Figura 5.4
La carga ultima de esta columna est dentro del diagrama de interaccin por lo tanto la seccin y
el acero asumidos estn correctos.
6. Viga carrilera
Consiste en una viga de concreto de seccin I, apoyada sobre las mnsulas ya diseadas y que
soportar el peso del puente gra de 8Tn, junto a una platina comercial ubicada entre la viga y el
puente gra.
En base a la informacin proporcionada por la empresa ABUS (proveedor de puentes gra - Anexo
5), se tienen las siguientes cargas (Etapa IV):
CALCULO DE LA CARGA VIVA
Carga mxima por rueda R 5942,92 kg
Distancia mxima entre ruedas d1 3,8 m
Mitad de la luz del puente gra d2 12 m
-1.E+05
0.E+00
1.E+05
2.E+05
3.E+05
4.E+05
5.E+05
6.E+05
0.E+00 1.E+06 2.E+06 3.E+06 4.E+06 5.E+06
Pn
(kg
)
Mn(Kg*cm)
Diseo Estructural de una Nave Industrial
23
CALCULO DE LA CARGA MUERTA
Peso de los elementos del riel Pr 20 kg/m
Peso propio de la viga carrilera (20%L) Pvc 99,0 kg/m
Carga muerta D 119,0 kg/m
Tabla 6.1
Con lo cual se propone las siguientes medidas para la seccin I:
VIGA CARRILERA (Seccin I - Hormign)
Luz 5,90 m
Largo del patn 0,50 m
Ancho del patn 0,15 m
Largo del alma 0,30 m
Ancho del alma 0,25 m
Peso Propio de la viga carrilera 540 kg/m
Carga viva 5942,92 kg
Carga muerta (platina de acero) 123,76 kg/m
Tabla 6.2
Y para la platina:
PLATINA (Sobre viga carrilera)
Longitud (comercial) 6,00 m
Ancho 0,50 m
Espesor 0,012 m
Peso 4,71 kg/m
Tabla 6.3
A continuacin se verifica que la seccin sea esbelta y compacta:
Tabla 6.4
Se verifica tambin la fluencia en el alma de la seccin y que la platina que ir en la placa superior
no genera inconvenientes en el diseo definitivo:
Diseo Estructural de una Nave Industrial
24
Tabla 6.5
En base a las tablas 6.4 y 6.5, en donde se garantiza que la seccin es adecuada para el momento
ltimo de diseo M1 = 27931,45 N.m (establecido anteriormente), se determina el acero de
refuerzo:
Parte Inferior:
Asmn 1,4
# varillas 3
1,4
As 9,22
Mn 1,15E+06
Tabla 6.6
Parte Superior:
Asmn 1,3
# varillas 3
1,2
As 4,71
Tabla 6.7
Refuerzo transversal:
estribos (cm)= 1 cm
# Ramales = 2
Diseo Estructural de una Nave Industrial
25
As = 0,503
Ay= 1,005
S = 20cm
La viga carrilera fue diseada para el caso ms crtico, que es el que se ilustra a continuacin (el
caso ya fue detallado en la Etapa IV):
Figura 6.1
7. Gradas
Se necesitan gradas para acceder a las oficinas, a continuacin su diseo.
Para el caso de las gradas, se consideran huellas de 30 cm y contrahuellas de 18 cm. El espesor de
la losa es de 10 cm, con una longitud de 5 m y un ancho de gradas de 1,4 m.
Diseo Estructural de una Nave Industrial
26
Figura 7.1
De la etapa III, se tiene:
CARGA MUERTA 728,72 kg/m
CARGA VIVA 700 kg/m
CARGA DE DISEO 1994,46 kg/m
Tabla 7.1
Cortante:
Figura 7.2
Diseo Estructural de una Nave Industrial
27
Momento:
Figura 7.3
Determinacin de la armadura longitudinal negativa (acero superior)
Fy = 4200 kg/cm2
fc = 240 Kg /cm2
= 0.9 (flexion)
b= 140 cm
d= 18 cm
As = 1 12 mm cada 15 cm total 9 varillas
Mn = 0.9 As fy (d
1.7 )
Mn = 0.9 10.18 4200 (18 10.18 4200
1.7 240 140)
= . /
= . > Mu = 619918,68 kg*cm
Cuanta mnima requerida
Segn el cdigo ACI-08 la cuanta mnima de flexin para losas es
= 14
= 0.0033
Diseo Estructural de una Nave Industrial
28
= = 0.0033 150 20
= 9.9 2
= . < = .
Verificacin por Cortante
Segn el modelo estructural la losa (Figura 7.2) debe soportar una carga cortante de:
= 6131,25
fc = 240 Kg/ cm2
b = 140 cm
d = 18 cm
= 0.85 (cortante)
Vn = 0.85 0.53
Vn = 0.85 0.53 240 140 18
Vn = 20937.3
= . > = 6131,25
Por lo tanto la seccin escogida es apropiada.
Armadura de retraccin y fraguado
Segn las normas del ACI-08 para retraccin y fraguado la cuanta mnima es:
= 0.0022
=
= 0.0022 100 18
= 4.4 2
El detalle de la malla electrosoldada a usar consta en el Anexo 3.
Diseo Estructural de una Nave Industrial
29
ANEXOS
Anexo 1: Tablas con coeficientes para el diseo de losas nervadas rectangulares sustentadas
perimetralmente, sometidas a cargas distribuidas uniformes (Marcelo Romo Proao Escuela
Politcnica del Ejrcito).
Diseo Estructural de una Nave Industrial
30
Diseo Estructural de una Nave Industrial
31
Anexo 2: Ejemplo de colocacin de acero para un caso particular
Anexo 3: Varillas comerciales y malla electrosoldada usado en la losa (Adelca)
Diseo Estructural de una Nave Industrial
32
Anexo 4: Perfiles comerciales para la cercha metlica (casa comercial DIPAC)
Diseo Estructural de una Nave Industrial
33
Diseo Estructural de una Nave Industrial
34
Anexo 5: Detalle de un puente gra (casa comercial ABUS)