Estudio de un pórtico con capacidad de deformación máxima en el voladizo

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA. Tesis titulada: ESTUDIO DE UN PÓRTICO CON CAPACIDAD DE DEFORMACIÓN MÁXIMA EN EL VOLADIZO Presentada por el Bachiller: JULIO TICONA BENDITA Para optar el Título Profesional de: Ingeniero Mecánico ASESOR: Ing. Henry Romero Zegarra. AREQUIPA – PERÚ 2019.

(2) 2. Dedicatoria A Dios Por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor. A mis padres, por estar conmigo, por enseñarme a crecer y a que si caigo debo levantarme, por apoyarme y guiarme, por ser las bases que me ayudaron a llegar hasta. aquí..

(3) 3 RESUMEN En la presente tesis trata del estudio de un pórtico con capacidad de deformación máxima en el voladizo para elevar cargas excéntrica, este estudio solucionara problemas de izaje de carga excéntrica; el diseño comienza con la metodología que se realiza en el inicio, en el cual se colocan objetivos, hipótesis, variables de estudio para elevación de materiales, antecedentes, estudios relacionados de diversas investigaciones, después se realizara el marco teórico sobre grúas, pórticos y similares, también se analizara los elementos que componen el izaje; una vez terminado el análisis teórico se empezara con el desarrollo del diseño en el que se colocara las fuerzas que soporta el pórtico, los datos de los cables, poleas, accionamiento entre otros; en el capítulo siguiente se elabora una comparación entre cálculos con el software y formulas según el estándar ANSI y la especificación AISC, además se proporcionara la cantidad de seguridad del diseño; en el siguiente capítulo se analizara la selección de uniones y cálculos de poleas, resistencia por tensión de los cables, selección del motor eléctrico, además se realizara el análisis de pernos de anclaje y masa de concreto de la zapata. El diseño del pórtico finaliza con las conclusiones, referencias, anexos y planos; cabe mencionar que se utilizara el formato APA para la elaboración de la tesis. Palabras clave: Pórtico para elevar cargas dinámicas, sistema de izaje, cargas excéntricas, cimentación de acero..

(4) 4 ABSTRACT In the present thesis deals with the study of a gantry with maximum deformation capacity in the cantilever to raise eccentric loads, this study will solve eccentric load lifting problems; the design begins with the methodology that is carried out at the beginning, in which objectives, hypotheses, study variables for elevation of materials, background, related studies of various investigations are placed, then the theoretical framework on cranes, gantries and similar , the elements that make up the lift will also be analyzed; once the theoretical analysis is finished, the development of the design in which the forces that support the gantry, the data of the cables, pulleys, drive among others, will begin; In the following chapter a comparison between calculations with the software and formulas according to the ANSI standard and the AISC Specification is elaborated, besides the amount of design security will be provided; In the next chapter we will analyze the selection of joints and pulley calculations, resistance by tension of the cables, selection of the electric motor, in addition to the analysis of anchor bolts and concrete mass of the shoe. The design of the portico ends with the conclusions, references, annexes and plans; It is worth mentioning that the APA format will be used for the preparation of the thesis. Keywords: Gantry to raise dynamic loads, lifting system, eccentric loads, steel foundation..

(5) 5. ÍNDICE Dedicatoria ............................................................................................................................ 2 RESUMEN ............................................................................................................................ 3 ABSTRACT .......................................................................................................................... 4 ÍNDICE DE FIGURAS ......................................................................................................... 9 ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................ 13 CAPÍTULO 1 ...................................................................................................................... 16 INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ........................................................................................ 16 1.1 Introducción .............................................................................................................. 16 1.2 Objetivos ................................................................................................................... 16 1.2.1 Objetivo general. ................................................................................................ 16 1.2.1 Objetivos específicos. ........................................................................................ 16 1.3 Hipótesis .................................................................................................................... 17 1.3.1 Hipótesis general. ............................................................................................... 17 1.3.2 Sub hipótesis. ..................................................................................................... 17 1.4 Antecedentes ............................................................................................................. 17 1.5 Justificación............................................................................................................... 17 1.6 Variables de estudio .................................................................................................. 17 1.6.1 Variables independientes. .................................................................................. 17 1.6.2 Variable dependiente. ......................................................................................... 18 CAPÍTULO 2 ...................................................................................................................... 19 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................ 19.

(6) 6 2.1 Definición de grúa pórtico ........................................................................................ 19 2.1.1 Partes De Una Grúa Pórtico. .............................................................................. 20 2.2 Estructuras de acero .................................................................................................. 23 2.3 Cargas sísmicas ......................................................................................................... 25 2.4 Acero estructural ....................................................................................................... 27 2.4.1 Propiedades de tensión. ...................................................................................... 27 2.4.2 Propiedades de dureza. ....................................................................................... 28 2.4.3 Prueba de propiedades químicas y metalúrgicas. ............................................... 28 2.4.5 Comparación entre ASTM A572 Gr. 50 y ASTM A992. .................................. 33 2.4.6 Soldabilidad del acero estructural. ..................................................................... 35 2.4.7 Como especificar el acero estructural. ............................................................... 36 2.5 Selección de sección ................................................................................................. 37 2.6 La selección de la placa ............................................................................................. 37 2.7 Diseño de miembros por rigidez y capacidad de servicio ......................................... 38 CAPÍTULO 3 ...................................................................................................................... 40 PARÁMETROS INICIALES DE DISEÑO ....................................................................... 40 3.1 Carga muerta ............................................................................................................. 40 3.2 Carga viva ................................................................................................................. 41 3.3 Carga de nieve ........................................................................................................... 43 3.4 Carga de viento ......................................................................................................... 45 3.5 Carga de sismo .......................................................................................................... 47.

(7) 7 CAPÍTULO 4 ...................................................................................................................... 52 CALCULO ESTRUCTURAL CON CARGA EXCENTRICA ......................................... 52 4.1 Análisis por compresión del elemento 87 con el método LRFD .............................. 52 4.1.1 Resistencia de pandeo a la flexión en el eje x. ................................................... 58 4.1.2 Resistencia de pandeo a la flexión en el eje y. ................................................... 59 4.2 Análisis por compresión del elemento 87 con el método ASD ................................ 60 4.2.1 Resistencia de pandeo a la flexión en el eje x. ................................................... 66 4.2.2 Resistencia de pandeo a la flexión en el eje y. ................................................... 67 4.3 Análisis de uniones empernadas con el método LRFD ............................................ 68 4.4 Calculo del número mínimo requerido de pernos en la unión de los elementos 65, 67, 68 y112 con el método ASD .......................................................................................... 75 CAPÍTULO 5 ...................................................................................................................... 82 ANÁLISIS DE FLEXIÓN POR ZONAS Y CALCULO DE CABLES DE IZAJE ........... 82 5.1 Análisis por flexión del frame 127 con el método LRFD ......................................... 82 5.1.1 Análisis de esfuerzos principales. ...................................................................... 87 5.2 Análisis por flexión del elemento 127 con el método ASD ...................................... 89 5.2.1 Análisis de esfuerzos principales. ...................................................................... 93 5.3 Centro de cortante ..................................................................................................... 95 5.4 Prueba de bloque cortante para el elemento 90 con el metodo LRFD ..................... 99 5.5 Prueba de bloque cortante para el elemento 90 con el metodo ASD ..................... 104 5.6 Análisis de los cables de izaje ................................................................................. 108 5.7 Diseño de la placa base para el elemento usando el método LRFD ....................... 116.

(8) 8 5.8 Diseño de la placa base para el elemento usando el método ASD .......................... 125 5.8.1 Calculo de pernos de anclaje. ........................................................................... 133 5.8.2 Cálculo de la cimentación. ............................................................................... 146.

(9) 9 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Grúas pórticos más grandes del mundo. ............................................................. 20 Figura 2. Representación de una grúa pórtico. ................................................................... 21 Figura 3. Representación de una grúa semiportico. ........................................................... 22 Figura 4. Pórtico en ELLSEN. ........................................................................................... 23 Figura 5. Representación esquemática de una estructura sometida a un sismo. ............... 25 Figura 6. . Representación del diseño basado en fuerzas. .................................................. 26 Figura 7. Representación conceptual de configuraciones sismorresistentes para estructuras de acero. ................................................................................................................................... 26 Figura 8. Representación conceptual de configuraciones sismorresistentes para estructuras de acero. (Continuación) .......................................................................................................... 26 Figura 9. Representación conceptual de configuraciones sismorresistentes para estructuras de acero. (Continuación) .......................................................................................................... 27 Figura 10. Porción Inicial de la curva esfuerzo – deformación para aceros de bajo contenido de carbono. .............................................................................................................. 30 Figura 11. Porción Inicial de la curva esfuerzo – deformación para aceros de alto contenido de carbono. .............................................................................................................. 30 Figura 12. Representación esquemática de la curva esfuerzo – deformación típica de un acero estructural Gr.50. ............................................................................................................ 31 Figura 13. Representación esquemática de la curva esfuerzo – deformación típica de un acero estructural Gr.50. ............................................................................................................ 33 Figura 14. Vista isométrica de la estructura. ...................................................................... 40 Figura 15. Carga muerta calculada. .................................................................................... 41 Figura 16. Área tributaria para la carga viva. ..................................................................... 41 Figura 17. Área tributaria para la carga viva vista desde abajo. ......................................... 42.

(10) 10 Figura 18. Representación de la carga viva. ....................................................................... 43 Figura 19. Representación de la carga de nieve. ................................................................ 44 Figura 20. Esquema de isotacas del Perú. .......................................................................... 45 Figura 21. Área tributaria para la carga de viento. ............................................................. 46 Figura 22. Representación de la carga de viento. ............................................................... 47 Figura 23. Parámetros de sismo.......................................................................................... 47 Figura 24. Mapa geográfico de zonas sísmicas. ................................................................. 48 Figura 25. Peso de la estructura. ......................................................................................... 51 Figura 26. Vista del elemento 87. ....................................................................................... 52 Figura 27. Carga combinada del elemento 87 usando el método LRFD. ........................... 53 Figura 28. Datos complementarios del elemento 87 usando el método LRFD. ................. 54 Figura 29. Vista del elemento 87. ....................................................................................... 60 Figura 30. Carga combinada con el método ASD del elemento 87. .................................. 61 Figura 31. Datos complementarios del elemento 87 usando el método ASD. ................... 62 Figura 32. Vista del nodo con el método LRFD. ............................................................... 69 Figura 33. Vista del perno de alta resistencia. .................................................................... 70 Figura 34. Carga factorizada del elemento 112 con el método LRFD. .............................. 71 Figura 35. Carga factorizada del elemento 68 con el método LRFD. ................................ 72 Figura 36. Carga factorizada del elemento 67 con el método LRFD. ................................ 73 Figura 37. Carga factorizada del elemento 65 con el método LRFD. ................................ 74 Figura 38. Vista de la forma de unión con el método LRFD. ............................................ 75 Figura 39. Vista del nodo con el método ASD. .................................................................. 75 Figura 40. Vista del perno de alta resistencia. .................................................................... 76 Figura 41. Carga factorizada del elemento 68 con el método ASD. .................................. 77 Figura 42. Carga factorizada del elemento 112 con el método ASD. ................................ 78.

(11) 11 Figura 43. Carga factorizada del elemento 65 con el método ASD. .................................. 79 Figura 44. Carga factorizada del elemento 67 con el método ASD. .................................. 80 Figura 45. Vista de la unión con el método ASD. .............................................................. 81 Figura 46. Vista del elemento 127 con el método LRFD. .................................................. 82 Figura 47. Carga factorizada del elemento 127. ................................................................. 83 Figura 48. Datos complementarios del elemento 127 con el método LRFD. .................... 84 Figura 49. Vista del elemento 127 con el método ASD. .................................................... 89 Figura 50. Carga permisible del elemento 127. .................................................................. 89 Figura 51. Datos complementarios del elemento 127 con el método ASD. ....................... 90 Figura 52. Líneas de flujo del centro de cortante. .............................................................. 95 Figura 53. Vista diferencial del perfil canal. ...................................................................... 97 Figura 54. Diagrama de fuerzas del perfil canal. ................................................................ 98 Figura 55. Vista del elemento 90 con el metodo LRFD. .................................................... 99 Figura 56. Carga factorizada del elemento 90 con el metodo LRFD. ................................ 99 Figura 57. Datos complementarios del elemento 90 con el metodo LRFD. .................... 100 Figura 58. Vista de hileras. ............................................................................................... 102 Figura 59. Dimensiones de distancias al borde. ............................................................... 102 Figura 60. Carga permisible del elemento 90. .................................................................. 104 Figura 61. Datos complementarios del elemento 90 con el método ASD. ....................... 105 Figura 62. Vista de hileras. ............................................................................................... 106 Figura 63. Distancias al borde. ......................................................................................... 106 Figura 64. Tipos de cables de acero. ................................................................................ 108 Figura 65. Relación de presión. ........................................................................................ 109 Figura 66. Resistencia del acero de arado. ....................................................................... 112 Figura 67. Nomenclatura para el diseño del cable de izaje. ............................................. 112.

(12) 12 Figura 68. Medidas del diámetro de los cables de acero. ................................................. 113 Figura 69. Diámetro optimo del cable. ............................................................................. 115 Figura 70. Vista del perfil W10X45. ................................................................................ 116 Figura 71. Carga factorizada del elemento 87. ................................................................. 117 Figura 72. Datos complementarios del elemento 87. ....................................................... 118 Figura 73. Resistencia de compresión del concreto. ........................................................ 119 Figura 74. Distancia mínima al borde del centro del agujero. .......................................... 122 Figura 75. Vista de la placa base con el método LRFD. .................................................. 124 Figura 76. Vista del perfil W10X45. ................................................................................ 125 Figura 77. Carga factorizada del elemento 87. ................................................................. 126 Figura 78. Datos complementarios del elemento 87. ....................................................... 127 Figura 79. Resistencia de compresión del concreto. ........................................................ 128 Figura 80. Distancia mínima al borde del centro del agujero. .......................................... 131 Figura 81. Vista de la placa base con el método ASD. .................................................... 133 Figura 82: Factor de modificación para efectos de los bordes ......................................... 136 Figura 83. Dimensiones de la placa base y del concreto. ................................................. 136 Figura 84. Dimensiones del anclaje al extremo más alejado. ........................................... 137 Figura 85. Esfuerzo de adherencia ................................................................................... 138 Figura 86. Varillas de anclaje HIT – Z. ............................................................................ 141 Figura 87. Dimensiones de rosca y longitud de la varilla roscada HIT - Z y HIT - R. .... 142 Figura 88. Dimensiones características del perno de anclaje ........................................... 143 Figura 89. Datos de la fuerza cortante. ............................................................................. 144 Figura 90. Anclajes mecánicos. ........................................................................................ 146 Figura 91. Vista de las zapatas de concreto. ..................................................................... 146 Figura 92. Reacciones de la estructura. ............................................................................ 153.

(13) 13 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Factor de forma para el diseño de carga de viento................................................ 46 Tabla 2. Factores de zona.................................................................................................... 49 Tabla 3. Parámetros de suelo. ............................................................................................. 49 Tabla 4. Categorías de las edificaciones. ............................................................................ 50 Tabla 5. Sistemas estructurales. .......................................................................................... 50 Tabla 6. Carga de compresión de prueba. ........................................................................... 55 Tabla 7. Datos del perfil W10X45. ..................................................................................... 56 Tabla 8. Datos del perfil W10X45 cont. ............................................................................. 56 Tabla 9. Coeficiente de compresión.................................................................................... 57 Tabla 10. Esfuerzo de compresión real según el método LRFD. ....................................... 58 Tabla 11. Esfuerzo de compresión de prueba con el método ASD. ................................... 63 Tabla 12. Datos del perfil seleccionado. ............................................................................. 64 Tabla 13. Datos del perfil seleccionado. ............................................................................. 64 Tabla 14. Coeficiente de extremos...................................................................................... 65 Tabla 15. Esfuerzo de compresión real según el método ASD........................................... 66 Tabla 16. Resistencia nominal de los sujetadores. .............................................................. 70 Tabla 17. Resistencia nominal del conector. ...................................................................... 77 Tabla 18. Perfil canal C4x7.25. .......................................................................................... 85 Tabla 19. Perfil canal C4x7.25 cont.................................................................................... 85 Tabla 20. Datos del perfil seleccionado. ............................................................................. 91 Tabla 21. Datos del perfil seleccionado cont. ..................................................................... 91 Tabla 22. Datos del perfil canal C4X7.25........................................................................... 96 Tabla 23. Datos del perfil C4X7.25 cont. ........................................................................... 96 Tabla 24. Datos del perfil L4X4X3/8. .............................................................................. 101.

(14) 14 Tabla 25. Datos del perfil L4X4X3/8 cont. ...................................................................... 101 Tabla 26. Datos de cables metálicos. ................................................................................ 110 Tabla 27. Datos del cable 6x19. ........................................................................................ 110 Tabla 28. Resistencia de los cables de acero. ................................................................... 111 Tabla 29. Tabulación del diámetro del cable. ................................................................... 115 Tabla 30. Datos del perfil W10X45. ................................................................................. 120 Tabla 31. Datos del perfil W10X45 cont. ......................................................................... 120 Tabla 32. Distancia mínima al borde del centro del agujero estándar al borde de la parte conectada................................................................................................................................ 122 Tabla 33. Datos del perfil W10X45. ................................................................................. 129 Tabla 34. Datos del perfil W10X45 cont. ......................................................................... 129 Tabla 35. Distancia mínima al borde del centro del agujero estándar al borde de la parte conectada................................................................................................................................ 131 Tabla 36. Empotramiento efectivo del perno de anclaje................................................... 135 Tabla 37. Factores de ajuste de carga para varillas HIT-Z y HIT-Z-R de 3/4-pulg. de diámetro en concreto no fisurado. .......................................................................................... 139 Tabla 38. Resistencia de diseño de HIT-HY 200 con falla de concreto/extracción para varillas HIT-Z (-R) en concreto no fisurado. ......................................................................... 140 Tabla 39. Empotramiento efectivo del perno de anclaje. .................................................. 141 Tabla 40. Dimensiones características del perno de anclaje. ............................................ 142 Tabla 41. Resistencia de diseño del acero para varillas Hilti HIT-Z y HIT-Z-R.............. 142 Tabla 42. Factores de ajuste de carga para varillas HIT-Z y HIT-Z-R de 7/8pulg. de diámetro en concreto no fisurado. .......................................................................................... 145 Tabla 43. Gravedad especifica de agregado. .................................................................... 146 Tabla 44. Agregado fino y agregado grueso. .................................................................... 147.

(15) 15 Tabla 45. Agua para concreto. .......................................................................................... 148 Tabla 46: Cantidad de aire atrapado. ................................................................................ 149 Tabla 47. Relación de agua cemento. ............................................................................... 150 Tabla 48: Volumen agregado grueso. ............................................................................... 151 Tabla 49. Valores calculados de la mezcla. ...................................................................... 152.

(16) 16 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN AL DISEÑO 1.1 Introducción El desarrollo de la presente tesis consta de cinco capítulos que se desarrollan de manera ordenada en los cálculos del pórtico con cargas excéntricas y teoría necesaria para el desarrollo del estudio de la estructura y sus complementos como accionamiento, izaje, uniones, anclaje entre otros. El capítulo uno se detalla de lo que son los objetivos del estudio del pórtico, hipótesis y sub hipótesis, planteamiento del problema, variables de estudio entre otros. En el capítulo dos se define los conceptos teóricos llamado el marco teórico dando así los conceptos claves para el desarrollo del estudio del pórtico, el marco teórico ira con las respectivas citas bibliográficas de acuerdo a la norma APA 2019. En el capítulo tres se colocan los parámetros de diseño en el que se muestra el área tributaria, cargas nodales en la estructura, la representación de resultados de carga muerta, viva, de viento, sismo y nieve. El capítulo cuatro se realiza el análisis por tensión y compresión en el que se evalúa la esbeltez de los elementos, además se analiza la forma de unir los perfiles. En el capítulo cinco se desarrolla el centro de cortante, esfuerzos por flexión, izaje y sistema de anclaje. 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo general. Realizar el estudio de un pórtico con capacidad de deformación máxima en el voladizo. 1.2.1 Objetivos específicos. -. Analizar el área tributaria para la transformación de cargas en equivalentes.. -. Determinar las cargas externas que soporta el pórtico..

(17) 17 -. Aplicar los métodos LRFD y clásico para seleccionar los perfiles sometidos a cargas por tensión y compresión.. -. Realizar el estudio de izaje del pórtico.. -. Realizar el análisis de cimentación del pórtico que elevara carga excéntrica.. 1.3 Hipótesis 1.3.1 Hipótesis general. El diseño de un pórtico con carga excéntrica solucionara los problemas de operaciones mineras en el rubro de elevación de materiales. 1.3.2 Sub hipótesis. -. El uso de perfiles ligeros en el brazo de voladizo mejora la capacidad de izaje vertical.. -. El uso de cables de acero 6x19 ofrece una mejor elevación de cargas.. -. La masa de concreto influye en el izaje de materiales.. 1.4 Antecedentes Existen diseños existentes en el que se aprecia pórticos con uniones soldadas, los pernos han ido mejorando en lo que es el apriete, y además las cargas dinámicas hicieron que los pernos de alta resistencia mejoren su capacidad de unión. 1.5 Justificación El proyecto se justifica debido a que en muchas empresas mineras se requiere pórticos estructurales transportables para cada proyecto, en el estudio del pórtico se propone un diseño con perfiles ligeros y menos costosos en comparación a pórticos existentes. 1.6 Variables de estudio 1.6.1 Variables independientes. -. Carga excéntrica que eleva el pórtico estructural.. -. Altura de izaje del pórtico. -. Uso del método clásico y LRFD..

(18) 18 -. Cantidad de masa de concreto para el contrapeso del pórtico.. 1.6.2 Variable dependiente. Diseño adecuado del pórtico para elevar cargas excéntricas..

(19) 19 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO 2.1 Definición de grúa pórtico Para (Wikipedia, 2018) La grúa pórtico es un tipo especial de grúa que eleva la carga mediante un montacargas instalado sobre una viga, que a su vez es rígidamente sostenida mediante dos o más patas. Estas patas generalmente pueden desplazarse sobre unos rieles horizontales al nivel del suelo. En algunas fábricas y naves se utiliza la llamada puentegrúa que tiene el mismo funcionamiento que la grúa pórtico con la diferencia de que la viga descansa directamente sobre los rieles. Tanto una como otra tienen un sistema de montacargas similar que puede recorrer la viga completamente, y un pórtico apoyado sobre rieles que recorre todo el largo del área de trabajo. Las grúas pórtico se utilizan particularmente para elevar cargas muy pesadas en la industria pesada, como la naval. Permiten el transporte y la colocación de secciones completas de un barco moderno. El actual récord de carga más pesada sostenida por una grúa lo mantiene una grúa pórtico en Taisun, China que pudo levantar un peso de 20.000 Tn. A pesar de esto también existen grúas pórtico pequeñas en algunos talleres que funcionan mediante ruedas neumáticas, siendo innecesarios los raíles. Se usan para elevar mecanismos de automóviles o piezas de máquinas. (p.1).

(20) 20. Figura 1. Grúas pórticos más grandes del mundo. Fuente: (Wikipedia, 2018,p.1). 2.1.1 Partes De Una Grúa Pórtico. Para (ELLSEN, 2019): Una grúa pórtico se compone principalmente de viga de carga, patas de apoyo, testeros, sistema de control eléctrico, mecanismo de elevación, mecanismo de movimiento de grúa, etc. (p.1).

(21) 21. Figura 2. Representación de una grúa pórtico. Fuente: (ELLSEN, 2019,p.1). A continuación mostramos las partes de una grúa pórtico según (ELLSEN, 2019). a) Estructura básica de grúa pórtico: La estructura básica de grúa pórtico, como viga de carga y patas de apoyo, se construye en forma de caja o forma cercha. Diferentes estructuras cuentan con sus propias ventajas. Grúa de forma caja es de fuerte rigidez y de fácil mantenimiento. Mientras que la de forma cercha o celosía tiene la alta resistencia al viento y propio peso ligero. b) Sistema de control eléctrico. Sistema de control eléctrico se refiere principalmente al reductor de engranajes, frenos, motor eléctrico, etc. Estos controlan el movimiento de los carros polipastos y las grúas. c) La cabina de control. La operación en el suelo y al aire libre son dos formas para manejar la grúa. Con el fin de disminuir la intensidad de trabajo y garantizar la seguridad de los operadores, es necesario construir una cabina de control. Además, esta cabina también puede aumentar la exactitud de la manipulación de mercancías y materiales. (p.1).

(22) 22. Figura 3. Representación de una grúa semiportico. Fuente: (ELLSEN, 2019,p.1). Características de una grúa pórtico según (ELLSEN, 2019) son: -. Ampliamente utilizado en interiores y exteriores para la transportación de materiales.. -. En comparación con puente grúa, grúa pórtico es de baja demanda en las plantas.. -. Una vez que superan los 30 metros de la luz, se debe establecer pata flexible y pata rígida para mejorar la estabilidad del equipo.. -. Buen rendimiento, fácil de mantener y reparar. (p.1).

(23) 23. Figura 4. Pórtico en ELLSEN. Fuente: (ELLSEN, 2019,p.1). Innovación y avance técnico en ELLSEN -. Sistema de control eléctrico adopta la palanca avanzada ABM tres-en-uno o motor SEW tres-en-uno, lo que demuestra la integración de reductor de engranajes, los frenos y motor eléctrico.. -. El limitador de sobrecarga inteligente garantiza un funcionamiento seguro.. -. Grúa pórtico de estándar europeo y polipasto eléctrico de estándar europeo pueden mejorar la eficiencia de trabajo y extender la vida de función.. 2.2 Estructuras de acero Normativas en Estados Unidos. (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015) Dice: Normativas de Diseño Desarrolladas en los Estados Unidos. Los distintos sectores de la industria en el Ecuador se han desarrollado principalmente adaptando especificaciones y normativas extranjeras, en particular, las estadounidenses. Con el inicio del “boom” petrolero.

(24) 24 en la década de los setentas y debido a la explotación realizada principalmente por empresas estadounidenses, el país empieza a adoptar la normatividad de entes profesionales como el American Petroleum Institute, API, American Welding Society, AWS, American Society of Testing and Materials, ASTM, entre otros. La adopción de estándares se expandió hacia otros sectores, incluyendo el de la construcción, en donde los documentos emitidos por el American Concrete Institute, ACI, American Society of Civil Engineers, ASCE, American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO, sirvieron de referencia para la construcción de la infraestructura del país. En el campo de las estructuras de acero para edificaciones, los códigos y especificaciones de referencia utilizados tanto para diseño, como para fabricación y montaje son los del AISC y AWS. En materia de diseño, las especificaciones tradicionalmente utilizadas son: - Specification for Structural Steel Buildings, AISC 360-10 (AISC, 2010a), - Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, AISC 341-10 (AISC, 2010b) y - Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications, AISC 358-10 (AISC, 2010c). Por otra parte, para la fabricación y montaje, las especificaciones de referencia son: - Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts (RCSC, 2009), - Code of Standard Practice for Steel Buildings and Bridges, AISC 303 (AISC, 2010d) y - Structural Welding Code – Steel, AWS D1.1 (AWS, 2015). Además de las arriba mencionadas, existen otras normativas que dictan los lineamientos para diseñar y construir estructuras con características específicas como, por ejemplo, torres de telecomunicaciones; sin embargo, estos seis documentos son los mayormente empleados en la industria de la construcción con acero estructural. Así mismo, estas normativas son las que han servido como referencia en el desarrollo del capítulo NECSE-AC, según se discute en las siguientes secciones. (p.11).

(25) 25 2.3 Cargas sísmicas Para (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015) En términos generales, un sismo es un evento que provoca fuerzas temporales en una estructura, cuando la superficie en que se encuentra cimentada entra en movimiento. Cuando ésta sufre este tipo de excitación, aparecen cargas dinámicas horizontales y verticales que pueden causar daños considerables al sistema estructural. En la NEC-2015, los efectos de la carga horizontal se los calcula según la metodología mostrada en el capítulo “Diseño Sismo Resistente”, NEC-SE-DS. La Figura 3 muestra los efectos causados por un sismo en una estructura de un piso (de un solo grado de libertad) de manera esquemática. Durante un sismo, el suelo entra en movimiento con aceleraciones üg (t). La gráfica de üg (t) versus t se conoce como registro de movimiento telúrico, y sirve para caracterizar el sismo y sus efectos. Estas aceleraciones excitan la masa, m, de la estructura, que generalmente se encuentra concentrada al nivel de la losa. Esto es especialmente cierto en estructuras de acero, dado que el peso de las columnas es considerablemente menor que el peso del piso, compuesto por vigas y losas. Así mismo, hay un segundo tipo de carga asociado al movimiento de la estructura, que se debe al amortiguamiento inherente que tiene la misma. (p.14). Figura 5. Representación esquemática de una estructura sometida a un sismo. Fuente: (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015,p.14).

(26) 26. Figura 6. . Representación del diseño basado en fuerzas. Fuente: (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015,p.14). Figura 7. Representación conceptual de configuraciones sismorresistentes para estructuras de acero. Fuente: (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015,p.16). Figura 8. Representación conceptual de configuraciones sismorresistentes para estructuras de acero. (Continuación) Fuente: (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015,p.16).

(27) 27. Figura 9. Representación conceptual de configuraciones sismorresistentes para estructuras de acero. (Continuación) Fuente: (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015,p.16). (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015) Afirma: Según se muestra en los ejemplos anteriores, en estructuras de acero generalmente, solo una parte del edificio tiene la capacidad de disipar la carga sísmica. La razón es que aquellos componentes que conforman el sistema resistente a carga sísmica, SRCS, requieren durante su fabricación un control de calidad considerablemente mayor que aquellos que solo resisten la carga gravitacional. De igual manera, los requisitos de inspección de soldadura y de ejecución de las conexiones entre elementos del SRCS son muy exigentes, en comparación a los otros elementos. (p.16) 2.4 Acero estructural A continuación, se muestran las propiedades del acero estructural: 2.4.1 Propiedades de tensión. Según (GERDAU, 2019) Existen protocolos de pruebas para establecer las propiedades mecánicas del material: límite de fluencia, resistencia a la tensión y resistencia última. Los detalles de estas pruebas están en la ASTM, principalmente. La prueba más común para la fluencia, resistencia a la tensión y las propiedades de deformación del acero se conoce como tracción uniaxial. Se supone que las propiedades de tracción son las mismas que las de compresión. Anteriormente, la muestra para la tensión se tomaba del alma del perfil de ala ancha, orientado en la dirección longitudinal. Esto cambió en 1997, de manera que las.

(28) 28 muestras ahora se toman de los patines de los perfiles que tienen un ancho mayor a 6 pulgadas (152 mm). La razón era que, debido al espesor, el material del patín presenta un esfuerzo menor a la fluencia que el de la prueba tomada del alma. Además, los patines proporcionan un gran porcentaje de la carga axial y sobre todo la resistencia de los momentos de flexión de perfiles W. Las propiedades de los patines son por lo tanto más representativas en el acero para fines más estructurales. (p.6) 2.4.2 Propiedades de dureza. Para (GERDAU, 2019) Entre más dúctil es el acero, mayor es su tenacidad. La prueba más comúnmente utilizada para obtener la tenacidad o dureza es la prueba Charpy V o prueba de impacto CVN. Se utiliza una muestra de 10x10x55 mm con un corte mecanizado a la geometría de la muestra. La energía necesaria para romper la muestra se registra como el valor de CVN. Esta es una medida de la dureza del acero, aunque no refleja las condiciones reales físicas. Sin embargo, se permite una comparación de diferentes aceros, y es una medida de la resistencia a la propagación de grietas. La temperatura de la prueba es importante para la resistencia. Específicamente, la dureza disminuye a temperaturas más bajas, lo que significa que el acero tiende a ser frágil en esas condiciones. Una serie de pruebas se realizan para desarrollar la curva de la temperatura de transición de frágil a dúctil. Esto se utiliza para establecer los rangos de ductilidad (corte completo) y fragilidad (muesca) de la fractura. Los datos de transición son especialmente importantes si el acero se utiliza para las estructuras expuestas en climas de baja temperatura. (p.6) 2.4.3 Prueba de propiedades químicas y metalúrgicas. Para (GERDAU, 2019) En la producción de acero, los análisis químicos se realizan para obtener la composición de la muestra. Estas son tomadas con rigurosos intervalos de tiempo para cada colada, con los apropiados ajustes hechos hasta que se obtenga la química deseada. Los resultados finales se registran en el Certificado de Resultado de Pruebas del molino.

(29) 29 (CMRT) o Certificado de Calidad. Cada elemento químico tiene efectos específicos en las propiedades mecánicas y de otras propiedades del acero, incluyendo la soldabilidad. Las pruebas metalúrgicas están dirigidas a examinar la estructura y forma del grano del acero, y determinan el tipo y la ductilidad del material. Cuando la producción de acero se basa en lingotes, las pruebas revelan que de vez en cuando la segregación de carbono y la ampliación de grano se deben al mecanismo de enfriamiento del lingote. Para estos productos, es necesario a veces desarrollar completamente la desoxidación del acero, para garantizar la estructura de grano. Esto no es necesario para los procesos de colada continua del acero, ya que todos estos productos son desoxidados. (p.6) 2.4.4 Propiedades de tensión. Para (GERDAU, 2019) Las propiedades más importantes de la prueba de tensión son el esfuerzo de fluencia Fy, la resistencia a la tracción última Fu, las tensiones en la ruptura y la deformación unitaria y la deformación total,(εu y εst), la reducción del área, y la relación Fy/Fu. La reducción del área es una medida efectiva, tanto para la deformación total como para la ruptura, y se considera real, porque refleja la deformabilidad volumétrica. Todas estas propiedades se basan en la prueba común de tensión. Sin embargo, la reducción del área, no se puede determinar adecuadamente sin muestras con sección circular, y, por lo tanto, no se informa en el Certificado de Resultado de Pruebas (CMTR). El CMTR tampoco proporciona los datos de deformación unitaria, ya que generalmente no hay criterios aceptables para la prueba. (p.6).

(30) 30. Figura 10. Porción Inicial de la curva esfuerzo – deformación para aceros de bajo contenido de carbono. Fuente: (GERDAU, 2019,p.7). Figura 11. Porción Inicial de la curva esfuerzo – deformación para aceros de alto contenido de carbono. Fuente: (GERDAU, 2019,p.7).

(31) 31 (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015) dice: Los tipos de aceros utilizados en la construcción de estructuras de edificios tienen dos características principales: alta resistencia mecánica y alta ductilidad. La Figura 12 muestra esquemáticamente el diagrama esfuerzo – deformación de un acero ASTM A572 Gr. 50, mismo que es comúnmente utilizado en el medio para la construcción de edificios. Según se puede observar en la figura, este acero estructural tiene un módulo de elasticidad, E, de 200GPa, una resistencia de fluencia mínima, Fy, de 345MPa (50 ksi) y una resistencia máxima, Fu, de 450MPa (65 ksi). Así mismo, la ductilidad, medida como la máxima deformación unitaria, es de 33%. (p.17). Figura 12. Representación esquemática de la curva esfuerzo – deformación típica de un acero estructural Gr.50. Fuente: (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015,p.17).

(32) 32 Para (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015) dice: En la nomenclatura de los aceros estructurales, el grado define el esfuerzo de fluencia mínimo del material en “ksi”. En el ejemplo mostrado anteriormente, el esfuerzo de fluencia mínimo es de 50ksi, ya que el grado es 50. La combinación de alta resistencia y alta ductilidad hace que el acero sea capaz de resistir sismos de consideración. En la Figura 13 se muestra la fotografía de un ensayo de una conexión de momento entre una viga (elemento vertical) y una columna (elemento horizontal). El ensayo consiste en someter a la viga a cargas cíclicas que simulan la acción de un sismo. Las zonas en las que se ha desprendido el recubrimiento son regiones en las que el acero en la viga ha entrado en fluencia. Según se puede apreciar en la fotografía, la ductilidad del material hace que pueda acomodar deformaciones considerables y también que pueda disipar energía por deformación plástica. Estos dos atributos son fundamentales para el desarrollo de especificaciones técnicas para diseño sismorresistente de edificios, ya que como se detalla en las siguientes secciones, una estructura de acero sometida a cargas sísmicas de consideración debe ser capaz de acomodar deformaciones plásticas en ciertos componentes de la estructura. De hecho, algunos de estos componentes se diseñan como fusibles, para que absorban el daño provocado por el sismo. (p.17).

(33) 33. Figura 13. Representación esquemática de la curva esfuerzo – deformación típica de un acero estructural Gr.50. Fuente: (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015,p.18). 2.4.5 Comparación entre ASTM A572 Gr. 50 y ASTM A992. Para (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015) Afirma. El sismo de Northridge, ocurrido el 17 de enero de 1994 provocó cambios considerables en la filosofía de diseño sismorresistente de las estructuras de acero. Este sismo dejó en evidencia que los métodos de diseño, materiales, control de calidad y en general, la metodología de la construcción de edificios de acero no era la más adecuada, dado que se presentaron fallos estructurales graves en un gran número de construcciones. A partir de aquello se iniciaron programas de investigación extensivos cuyo objetivo fue el de responder las incógnitas planteadas en cuanto al desempeño estructural de todo tipo de estructuras, incluyendo las de acero. Malley (1998) presenta un resumen de los resultados obtenidos en las investigaciones hechas en estructuras de acero, a partir del sismo de Northridge. Uno de los logros importantes tuvo que ver con el desarrollo de un nuevo tipo de material, el ASTM A992, el cual no solamente tiene las altas propiedades mecánicas de los aceros grado 50, sino que también tiene una relación.

(34) 34 máxima Fy/ Fu =0.85 y una mejor soldabilidad que los aceros típicos. La importancia de esta relación se detalla a continuación. En la Figura anterior, se puede observar que la disipación de energía por carga cíclica se dio en la viga, al haberse formado un nudo plástico en la misma. Según se discute en la sección 2.3.3, este comportamiento es aceptable, ya que, al ser sometida a fuerzas producidas por un sismo de mayores proporciones, las estructuras de este tipo se deforman de manera dúctil. El fallo en otros sitios aledaños hubiese sido indeseable; por ejemplo, la formación de nudos plásticos en las columnas podría provocar un desplome del piso. Así mismo, el fallo en la conexión podría causar afectaciones estructurales de mayor consideración que la plastificación de la viga, que en este caso ha funcionado como un fusible. (p.20) (Dueñas, Zorrilla, & De los Angeles Duarte, 2015)dice: Para lograr el comportamiento dúctil mostrado en la Figura 13, se necesita que la resistencia de los materiales utilizados para los miembros estructurales no esté alejada de los valores nominales utilizados en el diseño. En este caso, si los Fy y Fu reales son considerablemente mayores a los utilizados en el diseño, es posible que no se produzca el comportamiento dúctil en la viga, sino que falle algún otro componente como la conexión, lo cual es indeseable. El contar con un material como el ASTM A992, en el cual se requiere que, permite controlar que esto no ocurra y también, permite localizar los “fusibles” en lugares donde está garantizado un comportamiento dúctil. El acero ASTM A572 Gr. 50 tiene las mismas propiedades nominales que las del ASTM A992, es decir, Fy=345MPa y Fu=450MPa, sin embargo, estos valores son mínimos y en la realidad pueden llegar a ser considerablemente mayores, lo cual puede causar la problemática descrita con anterioridad. Por otra parte, el acero ASTM A992 solo se usa para la manufactura de perfiles laminados en caliente y no está disponible en planchas, lo que complica su implementación en el sector de la construcción en el Ecuador. Dada la dificultad de mantener inventarios grandes de un mismo tipo de perfil (como puede ocurrir con los.

(35) 35 perfiles laminados en caliente), la industria de la construcción con acero en el país, ha favorecido el uso de perfiles armados a partir de planchas. Esto da una mayor versatilidad tanto para el diseñador, como para el constructor, pues se puede definir la geometría de los elementos estructurales con las dimensiones necesarias, para después cortar y soldar los flejes de manera acorde. De esta manera, la industria local está sujeta a tener que trabajar con aceros como el ASTM A572 Gr. 50, a pesar de las complicaciones estructurales que esto pueda causar. Considerando todos los puntos expuestos anteriormente, en la NEC-SE-AC se han tomado las precauciones del caso para procurar que el uso del ASTM A572 Gr. 50 sea posible y a la vez se puedan construir estructuras capaces de disipar la energía sísmica de manera dúctil. Esto se lo logra a través de los factores de fluencia probable, Ry, y de tensión máxima probable, Rt, especificados en la Sección 5.2 de NEC-SE-AC. (p.21) 2.4.6 Soldabilidad del acero estructural. Según (GERDAU, 2019) dice: Los procesos de soldadura disponibles son: manual, semiautomático y automático. Algunos tipos son más convenientes para la soldadura de taller, mientras que otros son más convenientes para la soldadura de campo. El manual de soldadura de la Sociedad Americana de Soldadura (AWS) da una descripción detallada de todos los procesos. Es vital que el acero tenga una composición química que garantice la fusión del metal base con el metal del electrodo sin la formación de grietas o imperfecciones similares. Esta característica se conoce como la soldabilidad del acero. Todos los aceros estructurales disponibles en la actualidad son soldables. Sin embargo, los requerimientos para los aceros QT, tales como aceros A 514 son mucho más restrictivos que los A36. Para los aceros que atienden a dos solicitaciones de las normas ASTM, por ejemplo: A 36 / A 572 certificados, la soldadura debe realizarse de acuerdo a los requerimientos del A 572. Sin embargo, para la rehabilitación estructural y/o con fines de adaptación, donde los detalles del acero que se utilizó, no se conocen, es importante para el diseñador y el fabricante determinar si el.

(36) 36 material es adecuado para la soldadura. La medida más común de la soldabilidad es el contenido de carbono (CE). Un material con un contenido de carbono muy alto (fundición de hierro, por ejemplo) no son soldables tradicionalmente, y efectivamente no en el sentido estructural, usando los procesos de soldadura que comúnmente se emplean en los talleres de fabricaciones de estructura de acero. El CE también se utiliza para evaluar las necesidades de precalentamiento para la unión soldada o de ensamble, y hay que tener en cuenta la influencia de hidrógeno y su retención conjunta. Están disponibles varias fórmulas para el CE, algunas de éstas son adecuadas para los aceros estructurales según lo indicado por las ecuaciones (A) a (C). Estas expresiones son empíricas, basados en las pruebas del acero dentro de ciertos rangos de composición química. Los números que se introducen son el contenido de elementos químicos en por ciento. A) CE = C + (Mn + Si) /6 + (Cr + Mo + Cb + V) /5 + (Ni + Cu) /15 B) CE = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V) /5 + (Ni + Cu) /15 C) Pcm = CE = C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr) /20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B. (p.13) 2.4.7 Como especificar el acero estructural. Según (GERDAU, 2019) dice: La selección del material esta dado en las especificaciones del proyecto por los diferentes grados que son apropiados para los miembros y las conexiones. Más allá de los requisitos de las normas de acero, puede ser incluido en las especificaciones del proyecto. Éstas pueden incluir la necesidad de demostrar la dureza del material, la estructura metalúrgica del perfil, de las pruebas de materiales más allá de las pruebas de tensión estándar y/o requisitos de composición química específica. Todas esas necesidades adicionales y los costos relacionados deben estar claramente delimitadas, usando otros materiales y las especificaciones de las pruebas siempre que sea posible. (p.19).

(37) 37 2.5 Selección de sección Según (GERDAU, 2019) Afirma: Los perfiles de ala ancha son las secciones predominantes utilizadas para vigas y columnas, para vigas de entrepiso, esto es en gran parte debido a la eficiencia de su forma de corte transversal y la disponibilidad de una amplia gama de tamaños. Para las columnas, los perfiles “H” de patín ancho es el más utilizado debido a su forma abierta que permite que las conexiones a las vigas, sean relativamente simples, y debido a que están disponibles en tamaños que incluyen la sección transversal de gran tamaño. Otros perfiles, tales como canales y ángulos son también ampliamente usados en aplicaciones estructurales. Por ejemplo, los canales se utilizan para disminuir los claros de las vigas y miembros estructurales diversos. Muchas armaduras se construyen con alguno o varios miembros de ángulo doble. En su mayor parte, los canales y los ángulos están disponibles como material ASTM A 529 G 50. Los miembros de acero estructural con sección transversal cerrada también se usan comúnmente en forma de sección circular o rectangular estructurales huecos o HSS. Éstos se usan a menudo para las columnas, debido a su eficiencia en la compresión axial. Además, los consideran para algunos elementos arquitectónicos y estructurales expuestos a menudo, a pesar de lo complejo que pueden resultar las conexiones, y por consecuencia mayor costo. (p.19) 2.6 La selección de la placa Según (GERDAU, 2019) Afirma: La construcción en acero también hace uso extensivo a las placas. Algunos ejemplos son las vigas construidas con 3 placas o columnas de 4 placas, placas base de columnas y placas de conexión diversas. Están disponibles en una amplia gama de espesores y es generalmente más fácil conseguir en acero ASTM A 36 y con menos frecuencia en ASTM A 572 G 50. 4.4 Diseño de miembros por esfuerzos, el cálculo de las cargas impuestas a los miembros en los marcos estructurales es típicamente hecho sobre la base de un análisis dimensional. Para los miembros que forman parte del sistema resistente.

(38) 38 lateralmente, es más común el análisis en dos dimensiones. El análisis tridimensional, generalmente se utiliza sólo para las estructuras de marco más complejas espacialmente. En estos análisis, los miembros generan fuerza axial, flexión, corte y distribución de la fuerza de torsión a lo largo de la longitud del propio miembro. Los tres aspectos dimensionales de las secciones transversales actuales de estos miembros no son explícitamente considerados. Antes de la publicación de la Especificación AISC LRFD (1986), los miembros de acero estructural eran dimensionados por el diseño de esfuerzos permisibles (ASD). El concepto básico de esta filosofía, es el comportamiento elástico lineal. Las ecuaciones están basadas en la mecánica de materiales que son utilizadas para determinar en el miembro de los niveles esperados de esfuerzos a partir de diversas fuentes. Con la llegada de las especificaciones LRFD, el diseño de elementos de acero se basa en los procedimientos resultantes de tensiones y el estado límite. Este es un enfoque más racional para el diseño, ya que aborda directamente la respuesta de los miembros y las conexiones a un nivel de carga, que satisfaga el estado límite de seguridad. El uso de métodos de resistencia última resultantes de tensiones implica que los miembros de acero pueden acomodar una redistribución de las tensiones a través de la obtención de esfuerzos locales. Las especificaciones de diseño LRFD y ASD hacen énfasis en las fuerzas y en los esfuerzos, respectivamente. (p.20) 2.7 Diseño de miembros por rigidez y capacidad de servicio Para (GERDAU, 2019) Además de diseñar los miembros para proporcionar unos niveles mínimos de resistencia, también deben ser consideradas la rigidez y la capacidad de servicio. El diseño por solicitaciones de servicio, requiere que el diseñador considere las cargas de servicio solamente, para garantizar que el comportamiento sea el previsto. Esto contrasta con el diseño por resistencia utilizando LRFD, donde se utilizan cargas factorizadas. Algunos ejemplos de las solicitaciones de servicio incluyen los asentamientos del suelo, desplazamientos laterales (flambeo) en la estructura sujeta a momento y sujeta a acciones.

(39) 39 sísmicas o de viento, y el control de vibraciones. El módulo de elasticidad es una constante para el acero, el control de la rigidez se convierte en el estado límite que rige el diseño de miembros en muchos casos. De hecho, en las estructuras como los marcos a momento, las consideraciones de rigidez a menudo controlan el comportamiento estructural de tal manera que los diseñadores pueden especificar material con menor Fy en los puntos claves de menor esfuerzo y aun así satisfacer todos los requisitos en todos los puntos. Sin embargo, resulta importante señalar que especificar secciones con material de menor límite de fluencia no puede resultar en ahorros de costos, puesto que las diferencias de precios entre los distintos grados pueden ser pequeñas. El diseño para el control de las vibraciones se ha convertido en algo muy frecuente en estructuras de uso público. La sensibilidad de los ocupantes en los tipos estándares de oficinas ha sido una preocupación a través de los años, y ha sido motivo de un gran espacio para su estudio. Estructuras con requisitos de ocupaciones especiales, tales como aeróbics, y pistas de baile deben tener una atención especial. Por último, la sensibilidad a la vibración extrema de los equipos utilizados en la medicina, la informática biomédica, y otras industrias ha llevado a la necesidad de un diseño explícito para el control de la vibración. Puesto que es un problema dinámico, la combinación de la masa, la rigidez, amortiguamiento, cargas funcionales y la sensibilidad de los ocupantes (ya sea humano o mecánico), deben considerarse interactuando en la forma más desfavorable. El diseñador tiene cierto control sobre la masa y amortiguamiento de la estructura, pero poco o ningún control sobre las cargas que se aplicarían y la sensibilidad de los ocupantes. El medio más directo para controlar la vibración mediante el diseño, es a través de la rigidez estructural. (p.20).

(40) 40 CAPÍTULO 3 PARÁMETROS INICIALES DE DISEÑO. Figura 14. Vista isométrica de la estructura. Fuente: Elaboración propia. 3.1 Carga muerta Es el peso propio de la estructura y se calcula con el programa:.

(41) 41. Figura 15. Carga muerta calculada. Fuente: Elaboración propia.. 3.2 Carga viva De acuerdo con la norma técnica peruana es 30kg/m2 El área tributaria es: A=3*2.4=7.2m2. Figura 16. Área tributaria para la carga viva. Fuente: Elaboración propia..

(42) 42 La carga viva es: Según la NTP. es 30kg/m2 A=7.2m2 F=PA F= (30) (7.2) = 216kgf Perimétrico= 108kgf Esquina: 54kgf. Figura 17. Área tributaria para la carga viva vista desde abajo. Fuente: Elaboración propia.. La capacidad de carga es: 6 toneladas, como son 3 celdas Cada esquina soporta 500 kgf Medios: 2000kgf Perimétrico: 1000kgf.

(43) 43. Figura 18. Representación de la carga viva. Fuente: Elaboración propia.. 3.3 Carga de nieve A=3*2.4= 7.2m2 La carga de nieve es: Según la NTP es 40kg/m2 F=PA F= (40) (7.2) = 288kgf Medios: 288kgf Perimétricos: 144kgf Esquina: 72kgf.

(44) 44. Figura 19. Representación de la carga de nieve. Fuente: Elaboración propia..

(45) 45 3.4 Carga de viento. Figura 20. Esquema de isotacas del Perú. Fuente: (NTP E030, 2006)..

(46) 46 La velocidad en Arequipa es: 85km/h La velocidad de diseño es: ℎ 0.22 13.2 0.22 𝑉 = 𝑉( ) = 85 ( ) = 90.35 𝑘𝑚/ℎ 10 10 𝑃 = 0.005𝐶𝑉 2 A=3.4*3=10.2 m2. Figura 21. Área tributaria para la carga de viento. Fuente: Elaboración propia.. Tabla 1. Factor de forma para el diseño de carga de viento.. Fuente: (NTP E030, 2006).. 𝑃 = 0.005 ∗ 0.8 ∗ 90.352 = 32.65𝑘𝑔𝑓/𝑚2 Medios: 32.65*10.2= 333.03kgf Perimétricos: 166.52kgf.

(47) 47 Esquina: 83.26kgf. Figura 22. Representación de la carga de viento. Fuente: Elaboración propia. 3.5 Carga de sismo El programa hace el análisis dinámico con los siguientes parámetros, ya que en el análisis estático es solo una aproximación:. Figura 23. Parámetros de sismo. Fuente: Elaboración propia..

(48) 48. Figura 24. Mapa geográfico de zonas sísmicas. Fuente: (NTP E030, 2006).

(49) 49 Tabla 2. Factores de zona.. Fuente: (NTP E030, 2006). Tabla 3. Parámetros de suelo.. Fuente: (NTP E030, 2006).

(50) 50 Tabla 4. Categorías de las edificaciones.. Fuente: (NTP E030, 2006). Tabla 5. Sistemas estructurales.. Fuente: (NTP E030, 2006).

(51) 51. Figura 25. Peso de la estructura. Fuente: Elaboración propia.. La fuerza cortante horizontal es: 𝑉= 𝑉=. 𝑍𝑈𝐶𝑆𝑃 𝑅. 0.4 ∗ 1 ∗ 2.5 ∗ 1.2 ∗ 7602.04 = 960.26 𝑘𝑔𝑓 9.5.

(52) 52 CAPÍTULO 4 CALCULO ESTRUCTURAL CON CARGA EXCENTRICA 4.1 Análisis por compresión del elemento 87 con el método LRFD. Figura 26. Vista del elemento 87. Fuente: Elaboración propia..

(53) 53. Figura 27. Carga combinada del elemento 87 usando el método LRFD. Fuente: Elaboración propia..

(54) 54. Figura 28. Datos complementarios del elemento 87 usando el método LRFD. Fuente: Elaboración propia.. De acuerdo con el dato proporcionado por el programa con el método LRFD la carga factorizada es 𝑃𝑢 = −35.675 𝐾𝑙𝑏 como la carga es negativa, se aplica el análisis por compresión. La esbeltez óptima de la columna va de 50 a 80 𝐾𝐿 = 80 𝑟 Material A36 ⟹ 𝐹𝑦 = 36 𝐾𝑠𝑖.

(55) 55 Tabla 6. Carga de compresión de prueba.. Fuente: (AISC, American Institute Costruction , 2015) De la Tabla 4-22 manual AISC 𝜙𝐹𝑐𝑟 = 23.1 𝐾𝑠𝑖 El área requerida aproximada es: 𝐴𝑟𝑒𝑎 =. 𝑃𝑢 35.675 = = 1.54𝑝𝑢𝑙𝑔2 𝜙𝐹𝑐𝑟 23.1. De la tabla de perfiles ensayaremos con la sección W10x45.

(56) 56 Tabla 7. Datos del perfil W10X45.. Fuente: (AISC, American Institute Costruction , 2015). Tabla 8. Datos del perfil W10X45 cont.. Fuente: (AISC, American Institute Costruction , 2015). A=13.3 𝑝𝑢𝑙𝑔2. 𝑟𝑥 = 4.32𝑝𝑢𝑙𝑔. De tabla C-A-7-1 código AISC 2016. 𝑟𝑦 = 2.01 𝑝𝑢𝑙𝑔 𝑘=1.

(57) 57 Tabla 9. Coeficiente de compresión.. Fuente: (AISC, Specification for Structural Steel Buildings, 2016) Porque ambos extremos están articulados y otro empotrado la verdadera relación de esbeltez será: 𝐾𝐿 (1)(133.858) = = 66.596 < 200 𝑂𝐾 𝑟 2.01 Interpolando en la tabla 4-22 Manual AISC.

(58) 58 Tabla 10. Esfuerzo de compresión real según el método LRFD.. Fuente: (AISC, American Institute Costruction , 2015) 𝜙𝐹𝑐𝑟 = 25.68 𝐾𝑠𝑖 La carga nominal factorizada es: 𝜙𝑃𝑛 = (𝜙𝐹𝑐𝑟 )(𝐴) = (25.68)(13.3) = 341.544 𝑘𝑙𝑏 𝜙𝑃𝑛 > 𝑃𝑢 341.544 𝑘𝑙𝑏 > 35.675 𝑘𝑙𝑏 El factor de seguridad será: 𝐹𝑆 =. 𝜙𝑃𝑛 341.544 = = 9.57 𝑣𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑃𝑢 35.675. 4.1.1 Resistencia de pandeo a la flexión en el eje x. La relación de esbeltez con respecto al eje x es: (1)(133.858) 𝐾𝐿 ( ) = = 30.986 𝑟 𝑥 4.32 Usando la ecuación de Euler 𝐹𝑒𝑥 =. 𝜋2𝐸 𝐾𝐿 2 (𝑟 ) 𝑥. =. 𝜋 2 (29000) = 298.103 𝐾𝑠𝑖 (30.986)2.

(59) 59 Analizando la región de transición: 𝐸 29000 𝐸 𝐾𝐿 4.71√ = 4.71√ = 133.68 ⟹ 4.71√ > ⟹ 133.68 > 30.986 𝐹𝑦 36 𝐹𝑦 𝑟 ∴ Columna corta, usaremos la ecuación: 𝐹𝑦. 36. 𝐹𝑐𝑟 = (0.658)𝐹𝑒𝑥 (𝐹𝑦 ) = (0.658)298.103 (36) = 32.736 𝑘𝑠𝑖 la carga nominal factorizada es: 𝜙𝑃𝑛 = (𝜙𝐹𝑐𝑟 )(𝐴) = 0.9(32.786)(13.3) = 392.448𝑘𝑙𝑏 𝜙𝑃𝑛 > 𝑃𝑢 ⟹ 392.448𝑘𝑙𝑏 > 35.675𝑘𝑙𝑏 𝐹𝑆 =. 𝜙𝑃𝑛 392.448 = = 11 𝑣𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑃𝑢 35.675. 4.1.2 Resistencia de pandeo a la flexión en el eje y. La relación de esbeltez con respecto al eje y es: (. (1)(133.858) 𝐾𝐿 ) = = 66.596 𝑟 𝑦 2.01. Usando la ecuación de Euler 𝐹𝑒𝑦 =. 𝜋2𝐸 𝐾𝐿 2 (𝑟 ) 𝑦. =. 𝜋 2 (29000) = 64.536 𝐾𝑠𝑖 (66.596)2. Analizando la región de transición: 𝐸 29000 𝐸 𝐾𝐿 4.71√ = 4.71√ = 133.68 ⟹ 4.71√ > ⟹ 133.68 > 66.596 𝐹𝑦 36 𝐹𝑦 𝑟 ∴ Columna corta, usaremos la ecuación:. 𝐹𝑐𝑟 =. 𝐹𝑦 𝐹 (0.658) 𝑒𝑥 (𝐹𝑦 ). 36. = (0.658)64.536 (36) = 28.504 𝑘𝑠𝑖.

(60) 60 la carga nominal factorizada es: 𝜙𝑃𝑛 = (𝜙𝐹𝑐𝑟 )(𝐴) = 0.9(28.504)(13.3) = 341.193𝑘𝑙𝑏 𝜙𝑃𝑛 > 𝑃𝑢 ⟹341.193𝑘𝑙𝑏 > 35.675𝑘𝑙𝑏 𝐹𝑆 =. 𝜙𝑃𝑛 341.193 = = 9.56𝑣𝑒𝑐𝑒𝑠 𝑃𝑢 35.675. 4.2 Análisis por compresión del elemento 87 con el método ASD. Figura 29. Vista del elemento 87. Fuente: Elaboración propia..

(61) 61. Figura 30. Carga combinada con el método ASD del elemento 87. Fuente: Elaboración propia..

(62) 62. Figura 31. Datos complementarios del elemento 87 usando el método ASD. Fuente: Elaboración propia.. De acuerdo con el dato proporcionado por el programa con el método ASD la carga permisible es 𝑃𝑎 = − 29.754𝐾𝑙𝑏 como la carga es negativa, se aplica el análisis por compresión. La esbeltez óptima de la columna va de 50 a 80 𝐾𝐿 = 80 𝑟 Material A36 ⟹ 𝐹𝑦 = 36 𝐾𝑠𝑖.

(63) 63 Tabla 11. Esfuerzo de compresión de prueba con el método ASD.. Fuente: (AISC, American Institute Costruction , 2015) 𝐹𝑐𝑟 = 15.4𝑘𝑠𝑖 Ω El área requerida aproximada es:. 𝐴𝑟𝑒𝑞 =. 𝑃𝑎 29.754 = = 1.93𝑝𝑢𝑙𝑔2 𝐹𝑐𝑟 15.4 Ω. De la tabla de perfiles ensayaremos con la sección W10x45.

(64) 64 Tabla 12. Datos del perfil seleccionado.. Fuente: (AISC, American Institute Costruction , 2015). Tabla 13. Datos del perfil seleccionado.. Fuente: (AISC, American Institute Costruction , 2015) A=13.3 𝑝𝑢𝑙𝑔2. 𝑟𝑥 = 4.32𝑝𝑢𝑙𝑔. De tabla C-A-7-1 código AISC 2016. 𝑟𝑦 = 2.01 𝑝𝑢𝑙𝑔 𝑘=1.

(65) 65 Tabla 14. Coeficiente de extremos.. Fuente: (AISC, Specification for Structural Steel Buildings, 2016) La verdadera relación de esbeltez es: 𝐾𝐿 (1)(133.858) = = 66.596 < 200 𝑂𝐾 𝑟 2.01.