CAPÍTULO 10.1
ÍNDICE
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ... 1
NOMENCLATURA ... i 10.1.1 ESTADOS LÍMITES ... 1 10.1.2 MATERIALES ... 27 10.1.2.1 Acero estructural... 27 10.1.2.2 Acero Tornillos ... 30 10.1.2.3 Soldadura ... 30
10.1.3 CONFIGURACIONES GENERALES PARA NAVES ... 1
10.1.4 ESQUEMA DE CONEXIONES ... ¡Error! Marcador no definido. 10.1.4.1 Elementos principales ... 11
10.1.5 PLACAS BASE Y ANCLAS ... 21 10.1.6 LARGUEROS ... ¡Error! Marcador no definido. 10.1.7 LÁMINAS ... ¡Error! Marcador no definido. 10.1.8 FACHADAS ... ¡Error! Marcador no definido.
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NOMENCLATURA
ASTM American Society for Testing and Materials AWS American Welding Society
E modulo de elasticidad del acero, igual a 2,040,000 kg/cm2
FY esfuerzo mínimo especificado correspondiente al límite de fluencia del material FU esfuerzo mínimo especificado de ruptura en tensión
G módulo de elasticidad al esfuerzo cortante del acero, igual a 784,000 kg/cm2 NMX Normas Mexicanas
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10.1.1
INTRODUCCIÓN
Una nave industrial tiene como función cubrir un área para distintos fines: • Almacenamiento
• Producción
Las estructuras de las naves deben cumplir su función durante su vida útil ante las acciones que estarán sujetas, tales como:
• Peso propio • Cargas vivas • Sismo • Granizo • Viento • Empuje de suelo
• Cargas generadas por maquinaria y grúas viajeras • Cambios de temperatura
• Asentamientos diferenciales, etc.
El tipo de sistema estructural seleccionado estará en función del destino y de las acciones a las cuales estará sometido y también de la estética que se quiera lograr.
A continuación se definen los elementos que forman una nave industrial.
10.1.2
TIPOS DE CONFIGURACIONES
La configuración de la nave será función del área por cubrir y de la definición de los claros; pudiéndose formar con una sola cumbrera o con varias. Por lo que respecta a las estructuras pueden estar constituidas por armaduras o trabes se sección constante o variable; las columnas pueden ser por medio de perfiles tubulares del tipo OC o OR (HSS) o bien perfiles de tipo IR o “H”. La nave deberá tener la capacidad de resistir las acciones de diseño en todas la direcciones; en la dirección perpendicular a los marcos principales es necesario proporcionar elementos de rigidización. De esta forma se pueden tener las siguientes configuraciones:
• Marco rígido de sección constante de un solo claro o múltiples. • Marco rígido de sección variable de un solo claro o múltiples
• Marco con armaduras de peralte variable de un solo claro o múltiples. • Marco con armaduras de peralte constante de un solo claro o múltiples.
En las fig. 10.1.3 se muestran algunas de las configuraciones utilizadas en Naves Industriales con uno o varios claros. Se pueden observar las diferentes configuraciones y sistemas estructurales utilizados.
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(a) Marco con trabe se sección variable (b) Marco con armadura de sección variable
(c) Marco con trabe y columnas de sección variable (d) Marco con armadura de sección constante
(e) Marco con trabe y columnas de sección variable (f) Marco con trabe se sección variable
(g) Marco con trabe y columnas de sección variable (h) Marcos con trabe y columna de sección constante
(i) Marco con trabe y columnas de sección variable (j) Marco con armadura de sección constante
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(l) Marco formado por armaduras de sección constante con una sola cumbrera
(m) Marco de sección variable con una sola cumbrera
(n) Marco formado por armaduras de sección constante con una sola cumbrera
(o) Marco formado por armaduras de sección constante con una sola cumbrera
(p) Marco en “diente de sierra”
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(r) Marco formado por armaduras de sección variable con dos cumbrera Fig. 10.1.1 Configuración Naves Industriales con uno o varios claros.
Una configuración adecuada corresponde a la pendiente simple o doble (“dos aguas”) debido a que facilita la salida del agua al tener los desagües en los extremos, lo que evita la existencia de canalones y desagües internos que puede ocasionar acumulación de agua o granizo y por ende entrada de agua al interior de la nave ó incluso una falla local de la cubierta por encharcamiento. La configuración en “diente de sierra” se usa muy poco en la actualidad dado que tenían como objetivo el proporcionar luminosidad al interior lo que ha sido resuelto por láminas acrílicas translucidas.
De la fig. 10.1.4 a la fig. 10.1.12 se muestran, de manera general, algunas isométricas de configuraciones de naves industriales. Se puede observar el sistema de marco principal y el sistema de arriostramiento lateral perpendicular al marco principal.
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Fig. 10.1.3 Nave de varias crujías con una sola cumbrera, formada por marcos de sección variable.
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Fig. 10.1.5 Nave de dos crujías con una sola cumbrera, formada por armaduras.
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Fig. 10.1.7 Nave de dos crujías con una cumbrera al centro, formada por armadura de sección constante.
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Fig. 10.1.9 Nave de dos crujías con la cumbrera al centro y formada por un marco de sección variable.
Fig. 10.1.10 Nave en diente de sierra.
Con respecto a la estructuración transversal a los marcos es necesario proporcionar elementos para transportar las fuerzas a la cimentación; esto se puede lograr por medio de marcos rígidos o bien colocando elementos de contraventeos que tomen tensión con elementos horizontales de resistan las compresiones, de tal forma de poder transmitir las fuerzas horizontales, viento o
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sismo, a la cimentación. En las fig. 10.1.13 y fig. 10.1.14 se muestran el esquema de fuerzas ante acciones horizontales, viento o sismo, actuando perpendicular a los marcos principales.
Fig. 10.1.11 Distribución de fuerzas ante acciones horizontales perpendiculares a los marcos principales de una nave industrial con contraventeos en diagonal.
Fig. 10.1.12 Distribución de fuerzas ante acciones horizontales perpendiculares a los marcos principales de una nave industrial con contraventeos en “V” invertida.
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En la fig. 10.1.15 se muestras posibles configuraciones de arriostramiento en “V” invertida para acciones de viento o sismo perpendiculares a los marcos principales.
(a) Arriostramiento en “V” invertida en algunas de las crujías de los marcos que forman la fachada.
(b) Arriostramiento en “V” invertida en marcos de fachada
(c) Arriostramiento en “V” invertida en fachada interior
(d) Arriostramiento en “V” invertida con elementos horizontales
Fig. 10.1.13 Arriostramientos en “V” invertida, con o sin elementos horizontales, pudiéndose colocar en marcos interiores y/o en el de fachadas.
Además del arriostramiento en “V” invertida se utilizan otros tipos de sistemas para dar rigidez y transmitir las acciones horizontales perpendiculares a los marcos principales hasta la cimentación. En las fig. 10.1.16, fig. 10.1.17 y fig. 10.1.18 se muestran otras opciones de contraventeos laterales para Naves Industriales de acero.
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Fig. 10.1.15 Marco con contraventeos en diagonal en los ejes de fachadas.
Fig. 10.1.16 Marco rígido colocado en los ejes longitudinales de la nave.
10.1.3
DESCRIPCIÓN DE SUS COMPONENTES
10.1.3.1 Largueros
Los largueros pueden estar formados por perfiles del tipo CF (Monten), perfiles Z o bien “joist”. En la fig. 10.1.48 se muestran las geometrías.
(a) Sección perfil CF (b) Sección perfil Z Fig. 10.1.17 Secciones de perfiles doblados en frío.
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Larguero CF simplemente apoyado Larguero Z colocado de forma continua Fig. 10.1.18 Configuración de apoyos de largueros doblados en frío.
Fig. 10.1.19 Larguero tipo joist
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Fig. 10.1.21 Esquemas de largueros con arriostramientos. En la siguiente tabla se describen las aplicaciones de cada uno de ellos:
Tabla 10.1.1 Descripción de largueros utilizados en Naves Industriales.
Tipo Características
CF (monten) La instalación es sencilla y su rango de aplicación adecuado, para cargas convencionales, es de 8 a 12 m. Dada su irregularidad con respecto al eje vertical es necesario proporcionar elementos de arriostramiento lateral que eviten la torsión.
Z Su rango de aplicación adecuado, para cargas convencionales, es de 8 m a 12 m y son fáciles de instalar.
Tienen la gran ventaja que se pueden colocar de manera continua por medio de un traslape; el momento de diseño para tramos interior se reduce de wL2/8 a wL2/12, lo mismo para la flecha que se reduce cinco veces de 5/384 wL4/EI a 1/384 wL4/EI. Dada su irregularidad con respecto al eje vertical es necesario proporcionar elementos de arriostramiento lateral y que eviten la torsión.
Joist Su rango de operación trabajando como larguero puede oscilar entre 12 a 20 m aportando una rigidez importante al sistema de cubierta. Dada su baja inercia respecto al eje vertical requieren de un conjunto de arriostramientos laterales.
10.1.3.2 Lámina
Hay diversos tipos de láminas siendo las más utilizadas las galvanizadas pudiendo estar electropintadas. Hay distintas geometrías y los pliegues están relacionados con el incremento de inercia y por ende de la capacidad a flexión. Las más utilizadas en la actualidad son las
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formadas por medio de una roladora en la obra; la lámina es llevada en rollos, la roladora se monta en la cubierta y los segmentos de lámina se generan de las longitudes requeridas para cubrir el tramos completo entre el valle y la cumbrera lo que evita las juntas transversales a la pendiente y en consecuencia los sellos para impedir la entrada del agua; la unión entre tramos se realiza a través de un engargolado por medio un dispositivo denominado “ratón". Los calibres de fabricación son en general 22 (0.76 mm), 24 (0.61 mm), 26 (0.45 mm) siendo la más usada la de calibre 24 que tiene el riesgo que se maltrate al colocarla; la recomendable es la de calibre 22 pero evidentemente es más costosa. En las siguientes figuras se muestran algunas geometrías:
Fig. 10.1.22 Lamina rolada en obra.
Fig. 10.1.23 Tipos de láminas roladas en la obra.
En las siguientes figuras se muestra algunos detalles de fijación que se realizan con fijas auto taladrables.
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En cuanto al aislamiento de la nave se pueden utilizar cubiertas del tipo paneles que consisten en una doble lámina con poliuretano entre ambas con espesores que varían de 1”a 6” o bien una colchoneta de fibra de vidrio con película de vinil cuyo espesor puede varias entre 2” y 6” dependiendo del aislamiento requerido y de la las condiciones climáticas de la zona.
Por lo que respecta a la luminosidad se coloca un cierto porcentaje de lámina translucida el cual puede variar entre 2% a 5% dependiendo de la zona climática, del arreglo arquitectónico, de la orientación de nave y la luminosidad requerida.
10.1.3.3 Fachadas
Las fachadas de las naves pueden estar formadas por los siguientes materiales: • Lámina apoyada en elementos de acero del tipo monten.
• Una parte formada por lámina apoyada en elementos de acero del tipo monten y otro segmento a base de muros de mampostería.
• Muro prefabricado de concreto apoyado en elementos de acero del tipo monten. • Muros prefabricados de concreto de carga (tilt-up).
Las fachadas deben estar diseñadas para resistir las acciones de proyecto, principalmente viento. En las siguientes figuras se muestras los dos primeros tipos de fachadas.
Fig. 10.1.25 Isométrica fachada formada por lámina y muro de mampostería.
Fig. 10.1.26 Isométrica fachada formada exclusivamente por lámina.
10.1.3.4 Conexiones Elementos principales
Existen varios tipos de configuración para los elementos principales. Puede usar con medio de sujeción tornillos o soldadura dependiendo de costos, facilidades constructivas y disposición de
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materiales. De la fig. 10.1.19 a la fig. 10.1.36 se muestran varias configuraciones y arreglos de conexiones para elementos principales.
Fig. 10.1.27 Conexión a momento: Patines soldados a tope con el alma atornillada o soldada y con atiesadores en la columna.
Fig. 10.1.28 Conexión a momento: Patines soldados a tope con el alma atornillada o soldada y atiesadores.
Fig. 10.1.29 Conexión a cortante: Patines sin soldar y el alma atornillada o soldada.
Fig. 10.1.30 Conexión a momento: Patines soldados por medio de una placa con el alma atornillada o soldada y con atiesadores.
17 atornillados a una placa que a su vez está soldada a la columna; el alma puede atornillarse o bien soldarse.
soldados por medio de una placa con el alma atornillada o soldada y con atiesadores.
Fig. 10.1.33 Conexión a momento: Por medio de una placa atornillada y con una placa perpendicular de rigidización.
Fig. 10.1.34 Conexión a momento: Por medio de una placa atornillada en el alma y soldada en los patines y con dos placas perpendiculares de rigidización.
Fig. 10.1.35 Conexión a momento: Por medio de una placa atornillada a la columna.
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Fig. 10.1.36 Conexión a momento: Incrementando el peralte de la viga por medio de cartelas para disminuir los esfuerzos en las soldaduras de unión con la columna.
Fig. 10.1.37 Conexión a momento: Incrementando los ancho de las placas de conexión por medio de cartelas para disminuir los esfuerzos en las soldaduras de unión con la columna
Fig. 10.1.38 Conexión a momento: Por medio de tornillos; se incrementa el ancho de la viga o de la placa de conexión para disminuir los esfuerzos en las soldaduras de unión con la columna.
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Fig. 10.1.39 Conexión a momento: En el primer caso se sueldan los patines y en el segundo se tiene una placa de conexión soldada a la columna y atornillada a los patines de la trabe. El almas se conectan por medio de una placa ya sea soldada o atornillada a la viga
Fig. 10.1.40 Configuración de conexiones a momentos: atornilladas a un muñón que a su vez esta soldado en taller a la columna
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Fig. 10.1.41 Conexiones atornilladas: para dar continuidad a una viga
Fig. 10.1.42 Conexiones entre columnas y trabes: de marcos rígidos de sección constante o variable
Fig. 10.1.43 Conexiones entre columnas y trabes: de marcos rígidos de sección constante o variable
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Fig. 10.1.44 Conexión a momento entre armaduras y columnas. 10.1.3.5 Conexiones elementos secundarios
Existen varios tipos de configuración para los elementos secundarios, dependiendo del tipo de elemento. La conexión puede ser a cortante, momento ó solo tensión. De la fig. 10.1.37 a la fig. 10.1.43 se muestran varias configuraciones y arreglos de conexiones para diferente tipo de elementos secundarios.
Fig. 10.1.45 Conexiones perfiles doblado en frío. Apoyo intermedio vigas solapadas para transmitir solo cortante (simplemente apoyada) y para transmitir momento (continua).
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Fig. 10.1.46 Conexiones perfiles doblado en frío. Apoyo extremo viga con conexión atornillada con y sin atiesador.
Fig. 10.1.47 Conexión perfil doblado en frío. Larguero de fachada con placa atornillada a perfil y soldada a columna.
Fig. 10.1.48 Conexión joist. Larguero de fachada con placa atornillada a perfil y soldada a columna.
Fig. 10.1.49 Conexiones perfil IR. Entre vigas perpendiculares para trasmitir cortante soldada a viga principal y atornillada a viga principal.
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Fig. 10.1.50 Conexiones elementos de contraventeos Fachada. Placa atornillada a columna y sujetador fijo a columna.
Fig. 10.1.51 Conexiones elementos de contraventeos Techo. Elementos atornillados a placa soldada a viga.
10.1.3.6 Placas base y anclas
Existen muchas configuraciones geométricas para las placas base las cuales en conjunto con las anclas deberán transmitir las reacciones de las acciones de diseño. Las placas base deberán tener una geometría adecuada para la correcta transmisión de las fuerzas a las anclas y al elementos de cimentación. Por lo que respecta a las anclas deberán desarrollar las fuerzas de tensión y de cortante generadas por las reacciones. En las fig. 10.1.44 y fig. 10.1.45 se muestran algunas configuraciones.
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Fig. 10.1.52 Isométrica configuración y posición de anclas en placas base.
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(a) anclaje por adherencia (b) anclaje por dispositivo mecánico
Fig. 10.1.54 Elementos de anclaje utilizados en placas base.
El anclaje se puede realizar por medio de la longitud de desarrollo con una escuadra a 90º, fig. 10.1.46a, o bien por medio de un anclaje mecánico pudiendo ser una placa metálica, fig. 10.1.46b.
Fig. 10.1.55 Elementos que conforman un anclaje.
La función del sistema de anclaje es transferir los elementos mecánicos al sistema de cimentación; en la fig. 10.1.47 se muestran los elementos que forman el anclaje de una placa base donde se apoya la columna. Los elementos que forman el sistema son:
Placa base. Deberá tener la rigidez adecuada para transferir los esfuerzos a las anclas, pudiendo tener cartabones que le proporcionen la rigidez adecuada.
Tuercas. La tuerca es la forma de unión del ancla con la placa y deberá ser capaz de trasferir al ancla la tensión generada. Se coloca una tuerca por la parte de abajo, que generalmente es en las anclas de las esquinas, y su función es poder nivelar la columna.
Camisa. La camisa que está formada por un tubo de pared delgada tiene como función el poder mover la parte superior del ancla unos cuantos milímetros que servirá de tolerancia para que pueda colocarse adecuadamente la placa base y por otra parte el poder transferir adecuadamente los esfuerzos de adherencia entre el ancla y el concreto al comenzar estos en la masa del concreto y no en el borde de la superficie.
Mortero de alta resistencia de contracción controlada (grout). Se utiliza para rellenar el volumen entre la superficie del
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elemento de concreto y la placa base; su función es dejar un espacio para poder nivelar la columna y generar una superficie de contacto uniforme. Es recomendable hacer unas perforaciones a la placa base para permitir la salida del aire y garantizar un llenado pleno. Las resistencias a compresión del mortero pueden estar comprendidas entre 300 kg/cm2 a 500 kg/cm2.
10.1.4
MATERIALES
10.1.4.1 Acero estructural
La descripción de los aceros estructurales así como los esfuerzos de fluencia, Fy, y de ruptura en tensión, FU, de estos que se utilizan para la fabricación de naves industriales se presenta en la tabla 10.1.1. Se presenta la nomenclatura utilizada por las normas mexicanas (NMX) y por la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM).
Tabla 10.1.2 Descripción aceros estructurales. NOMENCLATURA DESCRIPCIÓN FY (3) (kg/cm2) FU(4) (kg/cm2) NMX(1) ASTM(2)
B-254 A36 Acero estructural 2,530 4,080
5,620 B-99 A529 Acero estructural con límite de fluencia mínimo de
2950 kg/cm2 2,950
4,220 a 5,975 B-282 A242 Acero estructural de baja aleación y alta
resistencia 2,950 4,430
3,235 4,710 3,515 4,920 B-284 A572 Acero estructural de alta resistencia y baja
aleación al manganeso-vanadio 2,950 4,220
3,515 4,570 4,220 5,270 4,570 5,620 A992 Acero estructural para perfiles H laminados para
uso en edificios
3,515 a
6,330 4,570
B-177 A53 Tubos de acero con o si costura 2,460 4,220
B-199 A500(5)
Tubos de acero al carbono para usos
estructurales, formados en frío, con o sin costura, de sección circular o de otras formas
3,235 4,360 A500
Grado A HSS cuadrados y rectangulares 2,740 3,160 A500
Grado B 3,230 4,975
A500
28 A500 Grado A HSS circulares 2,320 3,160 A500 Grado B 2,955 4,075 A500 Grado C 3,230 4,350 B-200 A501
Tubos de acero al carbono para usos
estructurales, formados en caliente, con o sin costura.
2,530 4,080
A588
Acero estructural de alta resistencia y baja aleación de hasta 100 mm de grueso, con límite de fluencia mínimo de 3515 kg/cm2
3,515(6) 4,920(6)
A913
Perfiles de acero de alta resistencia y baja aleación, de calidad estructural, producidos por un proceso de tratamiento térmico especial
3,515 4,570 4,920(7) 6,330(7) (1) NMX (Norma Mexicana)
(2) ASTM (American Society for Testing and Materials)
(3) Valor mínimo garantizado del esfuerzo correspondiente al límite inferior de fluencia del material (4) Esfuerzo mínimo especificado de ruptura en tensión. Cuando se indican dos valores, el segundo
es el máximo admisible.
(5) ASTM especifica varios grados de acero A-500, para tubos circulares y rectangulares.
(6) Para perfiles estructurales; para placas y barras, ASTM especifica varios valores, que dependen del grueso del material.
(7) Depende del grado; ASTM especifica grados 50, 60, 65 y 70.
En la tabla 10.1.2 se muestran los valores de las propiedades recomendados para el análisis de estructuras en acero estructural.
Tabla 10.1.3 Propiedades para el análisis de estructuras de acero
Parámetro Valor
Módulo de elasticidad del acero E=2,040,000 kg/cm2 Módulo de elasticidad al esfuerzo cortante del acero G=784,000 kg/cm2 Coeficiente de dilatación térmica α=12 x 10-6 1/oC
Peso volumétrico del acero 7.8 t/m2
En la fig. 10.1.1 se muestran las curvas de comportamiento de algunos aceros estructurales utilizados en la construcción de naves industriales de acero donde se indica el punto de fluencia, FY, y su resistencia a la tensión máxima, FU. En la fig. 10.1.2 se muestra un acercamiento a la curvas en la zona de fluencia, intervalo plástico, y la determinación del punto de fluencia para acero de alta resistencia.
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Fig. 10.1.56 Curva de comportamiento del acero estructural.
30 10.1.4.2 Tornillos
En la tabla 10.1.3 se muestran los tipos de tornillos con su descripción y resistencia máxima a la tensión, FU, utilizados en la industria de la construcción de acero.
Tabla 10.1.4 Descripción tornillos conexiones estructurales.
CLASIFICACIÓN DESCRIPCIÓN Fu (4) (kg/cm2) H-118 (ASTM A307) Sujetadores de acero al carbón
con rosca exterior 4,240
H-124 (ASTM A325)
Tornillos de alta resistencia para conexiones entre elementos de acero estructural 8,440 para diámetros de 13 a 25 mm 7,380 para diámetros de 29 y 38 mm H-123 (ASTM A490)
Tornillos de acero aleado tratado térmicamente para conexiones entre elementos de acero estructural
10,550
10.1.4.3 Metales de aportación y fundentes para soldadura
En la tabla 10.1.4 se muestra la clasificación de los metales de aportación y fundentes para la soldadura estructural de acuerdo a las normas mexicanas y a la Sociedad Americana de la Soldadura (AWS), entre paréntesis, con su respectiva descripción.
Tabla 10.1.5 Descripción metales de aportación y fundentes para soldadura.
CLASIFICACIÓN DESCRIPCIÓN
H-77 (AWS A5.1) Electrodos de acero al carbono, recubiertos, para soldaduras con arco eléctrico
H-86 (AWS A5.5) Electrodo de acero de baja aleación. Recubiertos, para soldadura con arco eléctrico
H-108 (AWS A5.17) Electrodos desnudos de acero al carbono y fundentes para soldadura por arco eléctrico sumergido
10.1.4.4 Sobre-resistencia
La sobre resistencia que tenga el material (incremento de su esfuerzo de fluencia) deberá ser tomada en cuenta en todos aquellos elementos que se ven afectados en su desempeño como son la conexiones; se hará por medio de un factor de sobre resistencia el cual se define a continuación:
ACERO FACTOR DE SOBRE RESISITENCIA
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A-572 Grado 42 (fy=2950 kg/cm2) 1.3 A-572 Grado 50 (fy=3515 kg/cm2) 1.1
10.1.5
ESTADOS LÍMITES
Las estructuras de las naves deben ser diseñadas para satisfacer los estados límites de resistencia y de servicio y de esta forma lograr un buen funcionamiento estructural.
Para el diseño de una nave industrial se deberán revisar los estados límite de resistencia y de servicio.
Los estados límite de resistencia se refieren al agotamiento de la capacidad de carga de la estructura o de cualquiera de sus componentes, o a la ocurrencia de daños irreversibles o bien a modos de comportamiento que pongan en peligro la estabilidad de la construcción o una parte de ella. De manera general se deberán revisar:
• Capacidad de carga del conjunto y de cada elemento, así como de las conexiones • Estabilidad de conjunto y local
• Efectos de temperatura
• Efectos ocasionados por hundimientos de la cimentación • Resistencia a fuego
Los estados límite de servicio se refieren a la presentación de condiciones que impiden el desarrollo adecuado de las funciones para las cuales se proyectó la nave, tales como desplazamientos, agrietamientos, vibraciones o daños que afecten en correcto funcionamiento pero que no afecten la capacidad de carga. De manera general se deberán revisar:
• Deformaciones • Fatiga
• Vibraciones • Agrietamientos
• Desplazamientos laterales
Adicionalmente se deberá garantizar la durabilidad de la estructura, en particular a la corrosión del acero.
10.1.6
PLANOS ESTRUCTURALES
Los planos estructurales deben contener la información completa para elaborar los planos de fabricación y montaje; la cual debe ser representada de manera clara y precisa.
32 • Planos geométricos o arquitectónicos. • Planos estructurales.
• Planos de fabricación. • Planos de montaje.
En los planos estructurales se deberá incluir un plano índice en donde se definan los siguientes conceptos:
• Lista del total de planos estructurales. • Cargas vivas y muertas.
• Parámetros para diseño por viento: Velocidad regional, velocidad de diseño, presiones y succiones de diseño.
• Parámetros para diseño por sismo: Espectro de diseño (Ta, Tb, r y C), factor de comportamiento Q, factor de irregularidad, etc.
• Carga por granizo.
• Tipo y esfuerzo de fluencia del acero estructural (Fy).
• Recubrimientos libres de las varillas para los elementos de concreto.
• Resistencia y módulo de elasticidad del concreto (f’ç, Ec) para los distintos elementos. • Longitudes de anclaje y de traslape de las varillas de refuerzo.
• Especificaciones completas de los tornillos (tipo, resistencia y tensión de apriete). • Resistencia de la soldadura.
• Capacidad de carga del suelo y profundidad de desplante de la cimentación. • Recubrimientos libres.
• Procedimiento constructivo de la cimentación. • Desplome máximo permitido en columnas.
• Separación a colindancias (en caso de ser necesario).
• En caso de existir muros de mampostería: dimensiones de las piezas, resistencia de las piezas (compresión y tensión diagonal), resistencia y proporcionamiento del mortero, desplome máximo permitido y resistencia del concreto para castillos y dalas. En los planos de fabricación (también conocidos como planos de taller o de detalle) se proporcionará toda la información necesaria para la ejecución de la estructura en el taller, y en los de montaje se indicará la posición de los diversos elementos que componen la estructura y se señalarán las juntas de campo entre ellos, con indicaciones precisas para su elaboración. Los planos de fabricación se prepararán antes de iniciar la fabricación de la estructura.
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Tanto en los planos de fabricación y de montaje como en los dibujos y esquemas de las memorias de cálculo deben indicarse las soldaduras por medio de símbolos que representen claramente, y sin ambigüedades, su posición, dimensiones, características, preparaciones en el metal base, etc. Cuando sea necesario, esos símbolos se complementarán con notas en el plano. En todos los casos deben indicarse, con toda claridad, los remaches, tornillos o soldaduras que se colocarán en el taller y aquellos que deben instalarse en la obra.
10.1.7
REQUERIMIENTOS CONSTRUCTIVOS
10.1.7.1 Desplome
Se considerará que cada una de las piezas que componen una estructura está correctamente plomeada, nivelada y alineada, si la tangente del ángulo que forma la recta que une los extremos de la pieza con el eje de proyecto no excede de 1/500. En vigas teóricamente horizontales es suficiente revisar que las proyecciones vertical y horizontal de su eje satisfacen la condición anterior.
Deben cumplirse, además las condiciones siguientes:
a) El desplazamiento del eje de columnas adyacentes a cubos de elevadores, medido con respecto al eje teórico, no es mayor de 25 mm en ningún punto en los primeros 20 pisos. Arriba de este nivel, el desplazamiento puede aumentar 1 mm por cada piso adicional, hasta un máximo de 50 mm.
b) El desplazamiento del eje de columnas exteriores, medido con respecto al eje teórico, no es mayor de 25mm hacia fuera del edificio, ni 50 mm hacia dentro.
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Los desplazamientos hacia el exterior se tendrán en cuenta al determinar las separaciones entre edificios colindantes.
Las columnas deben alinearse y plomearse antes de soldar o colocar tornillos en las conexiones de la superestructura. La soldadura, por el proceso de calentamiento, puede desplome de la columna por lo que se deberá seleccionar un procedimiento tal que afecte lo menos posible.
10.1.7.2 Agujeros y tensión de apriete de los tornillos
Los tipos de agujeros serán estándar, sobredimensionados, alargados cortos o alargados largos. Las dimensiones nominales de los agujeros de cada tipo se indican en la tabla xxx.
Tabla 10.1.6 Tamaños máximos de agujeros para remaches y tornillos 1 Diámetro
nominal del remache o
tornillo, d
Dimensiones de los Agujeros Estándar (Diámetro) Sobredimen-sionados 2 (Diámetro) Alargados Cortos 2 (Ancho × Longitud) Alargados Largos 2 (Ancho × Longitud) mm pulg. mm pulg. mm pulg. mm pulg. mm pulg. 12.7 1/2 14.3 9/16 15.9 5/8 14.3 × 17.5 9/16 × 11/16 14.3 × 31.8 9/16 × 1 1/4 15.9 5/8 17.5 11/16 20.6 13/16 17.5 × 22.2 11/16 × 7/8 17.5 × 39.7 11/16 × 1 9/16 19.1 3/4 20.6 13/16 23.8 15/16 20.6 × 25.4 13/16 × 1 20.6 × 47.6 13/16 × 1 7/8 22.2 7/8 23.8 15/16 27.0 1 1/16 23.8 × 28.6 1 5/16 × 1 1/8 23.8 × 55.6 15/16 × 2 3/16 25.4 1 27.0 1 1/16 31.8 1 1/4 27.0 × 33.3 1 1/16 × 1 5/16 27.0 × 63.5 1 1/16 × 2 1/2 ≥ 28.6 ≥ 1 1/8 d +1.5 d +1/ 16 d +7.9 d +5/16 (d+1.5)×(d+9.5) (d+1/16)×(d+3/8) (d+1.5)×(2.5d) (d+1/16)×(2.5d) 1
Los tamaños son nominales.
Los agujeros serán estándar, excepto en los casos en que el diseñador apruebe, en conexiones atornilladas, el uso de agujeros de algún otro tipo.
Los agujeros pueden punzonarse en material de grueso no mayor que el diámetro nominal de los remaches o tornillos más 3 mm (1/8 pulg.), pero deben taladrarse o punzonarse a un diámetro menor, y después rimarse, cuando el material es más grueso. El dado para todos los agujeros subpunzonados, y el taladro para los subtaladrados, debe ser cuando menos 1.5 mm (1/16 pulg.) menor que el diámetro nominal del remache o tornillo.
La tensión mínima de apriete para tornillos A325 y A490 será la indicada en la siguiente tabla: Tabla 10.1.7 Tensión mínima en tornillos de alta resistencia, (kg) 1
Diámetro del tornillo, mm (pulg.) Tornillos A325 Tornillos A490 12.7 (1/2) (5400) (6800) 15.9 (5/8) (8600) (10900) 19.1 (3/4) (12700) (15900)
35 22.2 (7/8) (17700) (22200) 25.4 (1) 227 (23100) (29000) 28.6 (1 1/8) 249 (25400) (36300) 31.8 (1 1/4) 316 (32200) (46300) 34.9 (1 3/8) 378 (38600) 538 (54900) 38.1 (1 1/2) 458 (46700) 658 (67100) 1
Igual a 0.7 veces la resistencia mínima de ruptura en tensión de los tornillos, de acuerdo con las especificaciones ASTM para tornillos A325 y A490.
10.1.7.3 Tolerancias en dimensiones
Las piezas terminadas en taller deben estar libres de torceduras y dobleces locales, y sus juntas deben quedar acabadas correctamente. En miembros que trabajarán en compresión en la estructura terminada no se permiten desviaciones, con respecto a la línea recta que une sus extremos, mayores de un milésimo de la distancia entre puntos que estarán soportados lateralmente en la estructura terminada.
La distancia máxima, con respecto a la longitud teórica, que se permite en miembros que tengan sus dos extremos cepillados para trabajar por contacto directo, es un milímetro. En piezas no cepilladas, de longitud no mayor de diez metros, se permite una discrepancia de 1.5 mm, la que aumenta a 3 mm, cuando la longitud de la pieza es mayor que la indicada.
En los siguientes dibujos se muestran algunas otras tolerancias:
Tolerancias (T) (mm) Peralte “d” Patín “bf” Fuera de paralelismo T+T’ C menos el peralte nominal d más 3 menos 3 más 6 menos 4 6 6
36
Tipo Descripción Valor
Deflexión del patín
100
f
b
A
=
Ortogonalidad
Descentrado del alma 5.00 mm
Deformación a lo largo del eje
Para columnas y armaduras: Para elementos con longitud (L) menores a 9 m:
3
3
L mm+
Para elementos con longitudes (L) entre 9 y 14 m:
10 mm
Para elementos con longitudes (L) mayores a 14 m: 14 10 3 3 L mm mm+ mmx − Para vigas: 3 3 L mm+
37 Variaciones en el peralte 900 ; 3 d≤ mm T ≤ ± mm 900mm≤ ≤d 1800mm; T ≤ ±5mm 1800 ; 8 ; 5 d > mm T ≤ + mm T ≤ − + mm Abollamiento
Las partes que se vayan a soldar a tope deben alinearse cuidadosamente, corrigiendo faltas en el alineamiento mayores que 1/10 del grueso de la parte más delgada, y también las mayores de 3 mm.
10.1.8
PINTURA
Después de inspeccionadas y aprobadas, y antes de salir del taller, todas las piezas que deben pintarse se limpiarán cepillándolas vigorosamente, a mano, con cepillo de alambre, o con chorro de arena, para eliminar escamas de laminado, óxido, escoria de soldadura, basura y, en general, toda materia extraña. Los depósitos de aceite y grasa se quitarán por medio de solventes.
Las piezas que no requieran pintura de taller se deben limpiar también, siguiendo procedimientos análogos a los indicados en el párrafo anterior.
A menos que se especifique otra cosa, las piezas de acero que vayan a quedar cubiertas por acabados interiores del edificio no necesitan pintarse, y las que vayan a quedar ahogadas en concreto no deben pintarse. Todo el material restante recibirá en el taller una mano de pintura anticorrosiva, aplicada cuidadosa y uniformemente sobre superficies secas y limpias, por medio de brocha, pistola de aire, rodillo o por inmersión.
El objeto de la pintura de taller es proteger el acero durante un período de tiempo corto, y puede servir como base para la pintura final, que se efectuará en obra.
38
Todas las superficies que se encuentren a no más de 50 mm de distancia de las zonas en que se depositarán soldaduras de taller o de campo deben estar libres de materiales que dificulten la obtención de soldaduras sanas o que produzcan humos perjudiciales.
Cuando un elemento estructural esté expuesto a los agentes atmosféricos, todas las partes que lo componen deben ser accesibles de manera que puedan limpiarse y pintarse.
10.1.9
INSPECCIÓN
Todas las soldaduras, incluyendo los puntos provisionales, serán realizadas por personal calificado.
Antes de depositar la soldadura deben revisarse los borde de las piezas en los que se colocará, para cerciorarse de que los biseles, holguras, etc., son correctos y están de acuerdo con los planos.
Una vez realizadas, las uniones soldadas deben inspeccionarse ocularmente, y se repararán todas las que presenten defectos aparentes de importancia, tales como tamaño insuficiente, cráteres o socavaciones del metal base. Toda soldadura agrietada debe rechazarse.
Cuando haya dudas, y en juntas importantes de penetración completa, la revisión se complementará por medio de ensayes no destructivos. En cada caso se hará un número de pruebas no destructivas de soldaduras de taller suficiente para abarcar los diferentes tipos que haya en la estructura y poderse formar una idea general de su calidad. En soldaduras de campo se aumentará el número de pruebas, y éstas se efectuarán en todas las soldaduras de penetración en material de más de 20 mm de grueso y en un porcentaje elevado de las soldaduras efectuadas sobre cabeza.
CAPÍTULO 10.2
ÍNDICE
CARGAS Y ACCIONES DE DISEÑO ... 1 NOMENCLATURA ... i 10.2.1 CARGAS MUERTAS... 39 10.2.2 CARGAS VIVAS ... 39 10.2.3 ACCIONES POR SISMO ... 40 10.2.4 ACCIONES POR VIENTO... 42 10.2.5 CARGA POR GRANIZO ... 44 10.2.6 EFECTOS DE TEMPERATURA ... 44 10.2.7 FATIGA ... 45 10.2.8 CARGAS POR GRÚAS VIAJERAS ... 46 10.2.9 COMBINACIONES DE ACCIONES ... 48 10.2.10 OTRAS CARGAS ... 49
i
NOMENCLATURA
AISC American Institute of Steel Construction AISE Association of Iron and Steel Engineers ASCE American Society of Civil Engineers 𝑎𝑎𝑜𝑜 Aceleración máxima del terreno
𝑎𝑎𝑜𝑜𝑟𝑟 Aceleración máxima terreno roca
c Ordenada espectral máxima
CM Carga muerta
CMAA Crane Manufacturers Association of America CP Coeficiente de presión
Ct Coeficiente de dilatación térmica
CV Carga viva máxima
CVM Carga viva accidental CVR Carga viva media
E Modulo de elasticidad (para el acero se puede tomar E = 2,040,000 kg/cm2) Fd Factor de distancia
Fn Factor de no linealidad Fr Factor de respuesta
Frz Factor de rugosidad y altura Fs Factor de sitio
FT Factor de topografía Fv Factor de velocidad
G Factor de corrección por altura y temperatura G Carga grúa viajera
Gbs Carga impacto de parachoques debido a grúa viajera GCM Carga muerta grúa viajera
Gis Carga de impacto debido a una grúa viajera
Gim Carga de impacto debido a múltiples grúas viajeras Gls Carga de frenado debido a una grúa viajera
Glm Carga de frenado debido a múltiples grúas viajeras Gss Carga debido a empuje lateral por una grúa viajera
Gsm Carga debido a empuje lateral por múltiples grúas viajeras Gvs Carga vertical debido a una grúa viajera
Gvm Carga vertical debido a múltiples grúas viajeras GR Carga debido a granizo
H Carga por hundimiento diferencia, contracción o deformación inicial. k Parámetro de caída rama descendente del espectro
ii
N Números de ciclos para la carga máxima de diseño Ni Números de ciclos para la carga i
PZ Presión de diseño por viento Q Factor de comportamiento sísmico Q’ Factor de reducción por ductilidad
qZ Presión dinámica de base debido al viento R Factor de reducción por sobreresistencia
RCDF Reglamento de Construcción del Distrito Federal SX Acciones debido a sismo en X
Sy Acciones debido a sismo en Y
T Carga debido por cambio de temperatura
Ta y Tb Períodos característicos del espectro de respuesta VD Velocidad de diseño
VR Velocidad regional
α Exponente ley de variación velocidad del viento con la altura αi Porcentaje carga i de la carga máxima
δ Altura gradiente velocidad del viento ∆t Incremento de temperatura
τ Temperatura ambiental
υ Relación de poisson (para el acero υ = 0.20) Ω Presión barométrica
39
En el capitulo C.1.2 se da una descripción y definición detallada de las acciones y sus combinaciones que deben ser considerada en el análisis y diseño de una estructura. En la presente sección se hace una breve descripción de las principales acciones que deben ser consideradas en el diseño y análisis de naves industriales de acero.
10.2.1
CARGAS MUERTAS
Se deben considerar el peso propio de la estructura y sus componentes tales: como láminas, elementos principales y secundarios e instalaciones, así como también maquinarias y equipos de operación continua. El peso propio de los elementos estructurales se debe calcular en función de las dimensiones nominales y de los valores característicos de los pesos específicos. Los valores para los pesos específicos de cada material pueden ser tomados de la tabla 1.1 Pesos Volumétricos de Materiales Constructivos del inciso C.1.2.5.1.
10.2.2
CARGAS VIVAS
El reglamento del Distrito Federal y los estatales consideran un valor mínimo probable para la carga viva máxima de diseño en cubiertas y entrepisos, en la tabla 10.2.1 se presentan algunos valores recomendados para el diseño de Naves Industriales.
Tabla 10.2.1 Cargas vivas para diferentes usos (kg/m2)
Uso CVa CVRb CVMc COMENTARIO
Área de oficina, despacho y laboratorios
250 180 100
Área de almacén CV 0.9CV 0.8CV Se determinara atendiendo el
destino del piso y no será inferior a 350 kg/m2, además de la carga viva máxima uniformemente repartida se debe Considerar una distribución de carga no uniforme. Techo y cubierta(1) 100 70 15 Pendiente no mayor de 5% 60 30 10 Pendiente del 6 al 10% 40 20 5 Pendiente del 11 al 20% 30 20 5 Pendiente mayor a 20% a
Carga viva máxima, bCarga viva accidental y cCarga viva media (1)
Se deben revisar los elementos de las cubiertas con una carga concentrada de 100 kg en la posición más crítica.
Además de la carga viva máxima de diseño, se especifica carga viva accidental y carga viva media. La primera es la carga que debe ser tomada en cuenta en el cálculo de la masa para el análisis por sismo, en las combinaciones de diseño para las cargas accidentales, como sismo y
40
viento, cuando esta resulte desfavorable ó para la revisión de una distribución no uniforme de la carga viva. La carga viva media se utilizara para la revisión de los asentamientos en los cimientos de la estructura.
Los valores especificados no se incluyen pesos de muros divisorios de mampostería o de otros materiales, así como de inmuebles, equipos u objetos de pesos fuera de lo común. Estas cargas deben cuantificarse en el diseño en forma independiente de la carga viva especificada y justificarse en la memoria de cálculo. Estás también deben de ser indicadas en los planos estructurales.
Además de las cargas vivas mencionadas anteriormente se debe considerar una carga viva transitoria durante la etapa constructiva producida por el peso de materiales almacenados temporalmente, el de equipos, colado de plantas superiores apoyadas en la planta que se analiza y personal operario, grúas viajeras, entre otros.
10.2.3
ACCIONES POR SISMO
En el cálculo de los efectos de sismo sobre las estructura se debe tomar en cuenta la respuesta del sitio donde se construirá la obra a la excitaciones del tipo sísmica. Se debe tomar en cuenta la estratigrafía del lugar, por lo que es importante considerar las recomendaciones del estudio de mecánica de suelos. Las fuerzas inerciales debido a sismo serán evaluadas de acuerdo al capítulo C.1.3. En el apartado C.1.3.9 se establecen criterios de análisis específico para este tipo de estructura. En la tabla 10.2.2 se presentan datos y referencias que se deben tomar en cuenta para la determinación de las acciones por sismo.
Tabla 10.2.2 Datos para análisis por Sismo (ver también capitulo C.1.3)
PARÁMETROS PARA OBTENER ACCIONES POR SISMO
Determinar respuesta dinámica del terreno: Velocidad efectiva del sitio, Vs, y periodo dominante del sitio, Ts
Inciso C.1.3.1.2
Localización de proyecto Ver mapa México
Clasificación de construcción según su destino Inciso C.1.3.2.2 aceleración máxima del terreno en roca (se determina usando el
programa de computo PRODISI) 𝑎𝑎𝑜𝑜𝑟𝑟 Inciso C.1.3.1.3.1.1
Factor de distancia Fd Inciso C.1.3.1.3.1.2
Factor de sitio que transforma la aceleración máxima en roca a la aceleración máxima del terreno en función de la respuesta dinámica del terreno
Fs Inciso C.1.3.1.3.2.1
Factor de respuesta que permite obtener la ordenada máxima del
espectro en función de la respuesta dinámica del terreno Fr Inciso C.1.3.1.3.2.2 Factor de no linealidad que toma en cuenta el aumento del
41
PARÁMETROS PARA OBTENER ACCIONES POR SISMO
Factor de velocidad que toma en cuenta la reducción de la velocidad
efectiva del sitio por efecto no lineal del suelo Fv Inciso C.1.3.1.3.3.2 Aceleración máxima del terreno 𝑎𝑎𝑜𝑜 Inciso C.1.3.1.5.1
Ordenada espectral máxima c Inciso C.1.3.1.5.2
Período característica del espectro que determinan el ancho de la
meseta Ta y Tb Inciso C.1.3.1.5.3
Parámetro de caída rama descendente espectro k Inciso C.1.3.1.5.4 Factor de amortiguamiento para tomar en cuenta el uso de un
amortiguamiento diferente al 5% ξ Inciso C.1.3.1.5.5
Espectro para diseño sísmico prevención de colapso Inciso C.1.3.1.5 Para estructura del Grupo A multiplicar ordenadas del espectro de
diseño prevención de colapso por 1.5 Inciso C.1.3.1.5.6 Espectro de diseño de servicio: dividir ordenadas de espectro de
diseño de colapso entre 5.5 Inciso C.1.3.1.5.6
Factor de comportamiento sísmico Q inciso C.1.3.2.4 Factor de reducción por ductilidad Q’ Inciso C.1.3.2.5 Factor de reducción por sobreresistencia R Inciso C.1.3.3.3 Especificaciones para Estructuras tipo 1: Estructuras de edificios Sección C.1.3.3
Especificaciones para Interacción suelo-Estructura Sección C.1.3.5 Especificaciones para Estructuras tipo 6: Estructuras Industriales Sección C.1.3.9
Para el cálculo de la masa sísmica se debe considerar el peso propio más la carga permanente sobre la estructura, así como también la carga viva accidental.
Se deberá adoptar un factor de comportamiento sísmico de Q = 2 para la reducción de las fuerzas sísmica. Se podrá adoptar un valor de Q mayor siempre que se justifique y se cumplan con los requisitos para estructuras dúctiles que fijan las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño de Estructuras Metálicas del Distrito Federal (Gobierno del Distrito Federal, 2004b). Para la revisión de los contravientos esbeltos tantos de cubiertas como de fachada se debe adoptar un Q = 1.0. En la tabla 10.2.3 se dan algunos valores de factor de comportamiento sísmico recomendado para algunas configuraciones estructurales de naves industriales.
42
Tabla 10.2.3 Factor de comportamiento sísmico
Configuración estructural Factor Q Descripción
≥2.0(1)
Estructuras con marcos rígidos en las que sus elementos principales tienen capacidad de deformación.
1.5 Estructuras con armaduras en la que todos sus paneles trabajan principalmente en axial.
1.0
Estructuras contraventeadas con diagonales que trabajan exclusivamente a tensión
(contraventeos esbeltos). (1)
Quedará a juicio del diseñador, el demostrar que pueden utilizarse valores de Q mayores que 2.
10.2.4
ACCIONES POR VIENTO
Esta se representa mediante presiones y succiones estáticas equivalente sobre la estructura valuadas de acuerdo con el capitulo C.1.4. Esta carga estará en función de la ubicación, altura de edificio, geometría del edificio y las características locales de exposición que van a depender de la topografía y rugosidad local.
De acuerdo al capítulo C.1.4 se debe seguir el siguiente procedimiento para el caso de naves industriales:
1. Clasificar la estructura según importancia y respuesta.
2. Determinar ubicación, elevación con respecto al nivel medio del mar y temperatura media del sitio donde se va a construir la estructura.
3. Determinar velocidad regional, VR, para un período de retorno de 50 años de acuerdo a la ubicación de la obra.
4. Definir categoría del terreno según rugosidad y clase de estructura según tamaño.
5. Calcular factor de rugosidad y altura, Frz, en función de clase de estructura y categoría del terreno.
6. Definir topografía local del sitio donde se construirá la nave.
7. Obtener factor de topografía, FT, en función de la topografía local del sitio. 8. Calcular velocidad de diseño VD = FT Frz VR
9. Calcular factor de corrección por altura y temperatura en función de temperatura ambiental (τ) y presión barométrica (Ω), G = 0.392 Ω / (273 + τ).
10. Calcular presión dinámica de base, qz = 0.0048 G VD2
11. Obtener las presiones de diseño sobre la estructura en función de la dirección de viento y geometría de esta.
En la tabla 10.2.4 se presentan las referencias para obtener los datos y más detalle sobre el cálculo de la presión sobre una nave industrial.
43
Tabla 10.2.4 Datos para análisis por viento (ver también capitulo C.1.4)
PARÁMETROS PARA OBTENER LA PRESIÓN NETA DE DISEÑO
Clasificación de la estructura según su importancia Sección C.1.4.3 Clasificación de la estructura según su respuesta ante la acción
del viento Sección C.1.4.4
Localización del proyecto Ver mapa México
Elevación del sitio Tabla III.1(b) C.III.1.4
Temperatura media Tabla III.1(b) C.III.1.4
Velocidad regional (para un periodo de retorno de 50 años) VR
Tabla III 1(a) o Mapa I.3 inciso C.1.4.6.2
Categoría del terreno según su rugosidad Inciso C.1.4.6.1, tabla 1.1 Factor que establece la variación de la velocidad con la altura Frz Inciso C.1.4.6.3.2
Exponente de la ley de variación de la velocidad del viento con la
altura; depende de la rugosidad del terreno. α Tabla 1.4, inciso C.1.4.6.3.2 Altura gradiente por encima de la cual se supone que la velocidad
del viento no varía con la altura δ Tabla 1.4, inciso C.1.4.6.3.2 Factor que permite considerar las características locales de
topografía FT Inciso C.1.4.6.4
Velocidad de diseño VD Inciso C.1.4.6
Presión barométrica Ω Tabla I.7, inciso C.1.4.7
Factor de reducción por temperatura y por altura con respecto al
nivel del mar G Inciso C.1.4.7
Presión dinámica de base promedio qz Inciso C.1.4.7
Para el cálculo de la presión de diseño se debe utilizar la siguiente expresión:
𝑝𝑝𝑧𝑧 = 𝐶𝐶𝑝𝑝𝑞𝑞𝑧𝑧 (10.2)
El valor del coeficiente CP se calcula de acuerdo a la forma estructural especificada a partir del inciso C.1.4.8.2. Se debe considerar el viento actuando sobre la estructura en dos direcciones mutuamente perpendiculares (ver fig. 10.2.1).
44
(a) Viento en dirección longitudinal
(b) Viento en dirección transversal
Fig. 10.2.1 Presiones del viento sobre una nave industrial en dos direcciones perpendiculares.
10.2.5
CARGA POR GRANIZO
Para evaluar esta carga debe tomarse en cuenta las normas y códigos locales del sitio o región donde se va a construir la obra. En los sitios donde exista la probabilidad de la ocurrencia de granizo se debe considerar una carga con una intensidad máxima uniforme por efecto de este fenómeno. El reglamento de construcción del Distrito Federal del 2004 (Gobierno del Distrito Federal, 2004e) considera una carga uniforme de 100 kg/m2, considerada como accidental y sin ser simultanea con cargas vivas.
10.2.6
EFECTOS DE TEMPERATURA
Se debe tomar en cuenta en naves con una dimensión mayor a los 45 m en cualquier dirección y donde existen gradientes de temperatura importante. También debe ser tomada en cuenta para elementos estructurales individuales expuestos a temperaturas controladas o excepcionales. Este estado de carga podrá ser ignorado cuando se coloque juntas de expansión en la estructura de manera que reduzcan las dimensiones de esta. En un miembro estructural tipo barra los esfuerzos axiales debido a temperatura se pueden calcular como:
45
Donde E es el modulo de elasticidad del material, ct es su coeficiente de dilatación térmica y ∆t el valor del incremento de temperatura. Para un elemento estructural tipo placa los esfuerzos en el plano del elemento se pueden calcular como:
𝐸𝐸𝐸𝐸𝑐𝑐𝑡𝑡Δ𝑡𝑡⁄(𝐸𝐸 + 𝐸𝐸) (10.2.2)
Donde υ es la relación de Poisson del material y las demás variables se definieron antes. En el apartado C.1.2.6.2.2 se establecen criterios y valores para poder cuantificar esta carga en una estructura cualquiera. En la tabla 10.2.5 se presentan algunos valores para el coeficiente de dilatación térmica de los metales más utilizados en la construcción.
Tabla 10.2.5 Coeficiente de expansión para 100 grados = 100ε Materiales Coeficiente dilatación
térmica (°C/100ε)
Aluminio forjado 0.00231
Acero bajo en carbono 0.00117
Acero inoxidable 0.00178
Zinc rolado 0.00311
10.2.7
FATIGA
Cuando existan elementos móviles dentro de la estructura, como el caso de grúas viajera o maquinarias con vibraciones estacionarias, se debe determinar:
1. Los elementos estructurales y conexiones que estarán sometidos a la acción de cargas variables repetidas, un número elevado de veces durante su vida útil.
2. El intervalo de esfuerzo por fatiga, calculado en el rango elástico lineal usando las propiedades de la sección bruta sin considerar efectos de concentración de esfuerzo en el punto o detalle a revisar por fatiga. El intervalo de esfuerzo se define como el cambio en la magnitud de este debido a la fluctuación de la carga viva de servicio. El intervalo de esfuerzo que está completamente en compresión no necesita ser revisado por fatiga. No se debe considerar dentro de la carga de fatiga las debidas a acción del viento, sismo o impacto.
3. El número de ciclos de carga y descarga o inversión de signo para cada intervalo de esfuerzo de los elementos estructurales que den soporte a estos equipos. Las definiciones del registro de carga y del número de ciclos vienen dado para cada caso por las especificaciones particulares del sistema.
4. Espectro de carga, que se define como la frecuencia para cada porciento de carga durante un periodo determinado de tiempo, y en base a esto calcular el número de ciclos de carga completa equivalente de diseño.
Conocido el número de ciclos para cada porcentaje de la máxima carga al que va a estar sometida la estructura (espectro de carga) se puede establecer un valor estimado del número de ciclo de carga completa para el diseño de la estructura, de acuerdo a la siguiente ecuación:
46 donde,
N número de ciclo de la carga máxima de diseño
Ni número de ciclos para el porcentaje de la carga máxima i αi porcentaje de la carga máxima i (Pi/PTOTAL)
En la tabla 10.2.6 se presenta el número de ciclos estimado de diseño para una amplitud uniforme de carga completa a la que va a estar sometida la estructura de soporte determinado de un análisis de ciclos de servicio de la grúa (MacCrimmon, 2004). La clasificación de la estructura según el tipo de servicio se deriva de la clasificación para grúas viajera establecida por la Asociación de Fabricantes de Grúas de América (CMAA).
Tabla 10.2.6 Número de ciclo recomendados para diseño de la estructura de soporte de grúas viajera (MacCrimmon)
Clasificación Servicio Estructura
Número de ciclos de carga completa recomendados, N Servicio de la Grúa de acuerdo a CMAA SA 20,000 Mantenimiento SB 40,000 Ligero SC 100,000 Mediano SD 400,000 Pesado SE 1,000,000 Cíclico SF > 2,000,000 Continuo
En los manuales CMAA 70 y 74 (CMAA, 2002; CMAA, 2000) se establecen criterios para clasificar grúas viajeras de acuerdo a la magnitud de la carga en relación a su capacidad y la frecuencia de está. Es importante señalar que estos ciclos son estimados y por tanto para un equipo específico los ciclos de carga deben de ser establecidos por el fabricante del equipo y el propietario de la estructura.
10.2.8
CARGAS POR GRÚAS VIAJERAS
En caso de naves industriales con grúas viajeras se deben considerar las acciones que pueden provocar estados de cargas sobre la estructura soporte de esta debido a efectos dinámicos. Entre estos estados de cargas están los debidos a impacto, empuje lateral y frenado. En tabla 10.2.7 se muestran factores de cargas recomendados para el cálculo de las diferentes acciones sobre las estructuras soportes de grúas viajera según MacCrimmon (2004).
47
Tabla 10.2.7 Porcentaje que debe ser considerado en los caso de carga para grúas viajeras
Tipo de Grúa Viajeraa Carga Vertical incluyendo impacto
Carga Lateral Total (ambos lado)- el mayor de: Fuerza de frenadoi Máxima carga por ruedab Carga levantadac Carga levantadac más carro de traslación Carga levantadac más peso propio grúa Máxima carga sobre rueda de tracción Operada por cabina o radio-control 125 40d 20e 10d 20 Grúa de electroimán o de cuchara bivalvaf 125 100 20 10 20 Grúa de brazo guía o con estibador 125 200 40g 15 20 Grúa de mantenimiento 120 30 d 20 10d 20 Grúa de control colgante 110 20 10 20 Grúa de cadena 105 10 10 Mono-puente 115 10 10 Notas:
(a) Se distingue la clasificación por tipo de grúa viajera presentada aquí del tipo de servicio de la grúa viajera según la CMAA.
(b) Ocurre con el carro de rodadura en exceso sobre uno de los extremos del puente,
(c) Carga levantada incluye la carga total levantada por la grúa al menos que se indique otra cosa, no incluye columna, corredera, u otro dispositivo de manipulación del material que sirva de guía en la dirección vertical durante el izaje.
(d) Grúas viajeras en fábrica de acero (AISE, 2003).
(e) Este criterio ha sido satisfactorio para grúas con servicio de ligero a moderado.
(f) Servicios severos tales como depósitos de chatarra, no incluye levantamiento de productos tales como bobina y placas en operaciones de almacenamiento.
(g) Carga levantada incluyendo brazo rígido.
(h) Debido a la naturaleza lenta de la operación, las fuerzas dinámicas son menores que para una grúa de control colgante.
(i) Si el número de ruedas de tracción es desconocido, considerar como fuerza de frenado el 10% de la carga tota sobre toda las ruedas.
48
10.2.9
COMBINACIONES DE ACCIONES
Se revisará la estructura para distintas combinaciones de carga que tenga una probabilidad mínima de ocurrir simultáneamente. Los factores de carga a utilizar en cada combinación deben ser coherentes con el Reglamento utilizado para el cálculo de las resistencias de diseño. A continuación las combinaciones de las diferentes acciones con su factor de carga que deben ser consideradas que son coherentes con el Reglamento de Construcción del Distrito Federal (RCDF) y este manual:
1. 1.4CM + 1.4G+ 1.4CV + T + H Carga Gravitacional.
2. 1.1CM + 1.1G+ 1.1CVR + 0.7T + H Distribución no uniforme de carga viva más desfavorable 3. 1.1CM + 1.1GCM + 1.1CVR + 1.1SX ó 1.1SY + 0.5T + H Sismo
4. 1.1CM + 1.1GCM + 1.1CVR ± 1.1SX ± 0.33SY + 0.5T + H Sismo en X 5. 1.1CM + 1.1GCM + 1.1CVR ± 0.33SX ± 1.1SY + 0.5T + H Sismo en Y 6. 1.1CM + 1.1GR ó 1.1VX ó 1.1VY +0.5T + H Viento ó granizo
7. 0.9CM + 1.0SX ó SY ó VX ó VY + H Revisión de volteo o estabilidad de muros en la estructura Para las combinaciones presentadas se utilizan los siguientes símbolos y notaciones: CM carga muerta.
CV carga viva máxima. CVR carga viva accidental.
T carga debido a efectos de temperatura. SX sismo en dirección X.
SY sismo en dirección Y. GR carga debido a granizo. VX viento en la dirección X. VY viento en la dirección Y.
H acción debida a hundimiento diferenciales más contracción por fraguado más deformaciones durante el proceso constructivo.
GCM carga muerta grúa viajera, en la posición más desfavorable para efecto de sismo. G es cualquiera de las combinaciones del G2 a G7 de carga debido a efectos de grúas
viajeras, presentado más adelante.
A continuación se presentan las combinaciones de las acciones debido a la operación de una o varias grúas viajeras sobre la estructura soporte, sin factor de carga, que deben ser consideradas: Excepto por la combinación G1 que debe ser revisada siempre como condición de servicio, la combinación más desfavorable gobierna para considerar los efectos debidos a grúas viajeras.
49
G1 Gvs + 0.5Gss Fatiga.
G2 Gvs + Gis + Gss + Gls Una grúa viajera en un pasillo único.
G3 Gvm + Gss + Gls Cualquier número de grúas viajeras en uno o múltiples pasillos.
G4 Gvm + 0.5Gsm + 0.9Glm Dos grúas viajeras en serie en un solo pasillo. No se necesita considerar más de dos
excepto en circunstancias extraordinarias. G5 Gvm + 0.5Gsm + Gim + 0.5Glm Una grúa en cada pasillo adyacente. G6 Gvm + 0.5Gsm Máximo de dos grúas viajera adyacente en
cada pasillo, y empuje lateral de dos grúas viajera en un solo pasillo. No se necesita considerar más de dos excepto en circunstancias extraordinarias. G7 Gvs + Gis + Gbs Impacto de parachoques. Donde se considera la siguiente notación:
Gvs carga vertical debido a una grúa viajera.
Gvm carga vertical debido a múltiples grúas viajeras. Gss empuje lateral debido a una grúa viajera.
Gsm empuje lateral debido a múltiples grúas viajeras. Gis impacto debido a una grúa viajera.
Gim impacto debido a múltiples grúas viajeras. Gls frenado debido a una grúa viajera.
Glm frenado debido a múltiples grúas viajeras.
Gbs impacto de parachoques debido a una grúa viajera.
10.2.10
OTRAS CARGAS
Se deben tomar en cuenta otras cargas cuando estas se encuentren presente en la estructura como son: deformaciones impuestas, vibraciones de maquinaria, nieve y empuje estático de tierra o líquido. También acciones que puedan ocurrir bajo condiciones extraordinarias tales como explosiones e incendios. Estás se evaluaron de acuerdo a los criterios establecidos en el capitulo C.1.2.
En las normas ASCE/SFPE 29-99 y en el apéndice 4 de las especificaciones del AISC 2005 (AISC, 2005) se pueden encontrar más detalle para el cálculo y evaluación de las cargas por fuego.
CAPÍTULO 10.3
ÍNDICE
ANÁLISIS ESTRUCTURAL ... 1 NOMENCLATURA ... i 10.3.1 MÉTODO DE ANÁLISIS ... 51 10.3.2 ELEMENTOS DIAGONALES EN TENSIÓN ... 52 10.3.3 MODELACIÓN DE CIMENTACIÓN ... 52 10.3.4 ESTABILIDAD GLOBAL ... 54 10.3.4.1 Efecto P-δ ... 55 10.3.4.2 Efecto P-∆... 56 10.3.4.3 Momentos de diseño en columnas ... 56
i
NOMENCLATURA
B Factor de amplificación de momento por deformación de la barra entre los extremos, efecto P-δ.
1
B Factor de amplificación de momento por desplazamiento relativo de los extremos, efecto P-∆.
2
FR Factor de resistencia, menor o igual a la unidad. I Índice de estabilidad de entrepiso.
KL Longitud efectiva.
K Factor de longitud efectiva Ks Módulo de reacción del suelo. L Altura de entrepiso.
Mti Momento debido a fuerzas con un desplazamiento horizontal despreciable. Mtp Momento debido a fuerzas con un desplazamiento horizontal considerable. M Momento total que incluye efectos de segundo orden debido a
desplazamiento relativo de los extremos de la columna. uo
M* Momento total que incluye todos los efectos de segundo orden, los debidos a desplazamiento relativo de los extremos y los debidos a la deformación de la columna entre los puntos extremos.
uo
PE Carga crítica de pandeo elástico. PU Carga axial de diseño de una columna. Q Factor de comportamiento sísmico. r Radio de giro de la sección.
∆OH Desplazamiento horizontal relativo en dirección del análisis. λ Relación de esbeltez.
ΣH Fuerza cortante total última de diseño en dirección del análisis. ΣPe Carga crítica de pandeo elástico total de un entrepiso.