Análisis y diseño de una nave industrial con un puente grúa de 60 TN, ubicada en la Joya Arequipa

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. “ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA NAVE INDUSTRIAL CON UN PUENTE GRÚA DE 60 TN, UBICADA EN LA JOYA-AREQUIPA”. TESIS PRESENTADA POR EL BACHILLER: JOSE LUIS FARFAN PARICAHUA. PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO CIVIL. ASESOR DE TESIS: ING. FIDEL COPA PINEDA AREQUIPA-PERÚ 2019.

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(3) DEDICATORIA. A Dios. Por darme la vida y por estar conmigo en cada paso que doy, por fortalecer mi corazón e iluminar mi mente A mi madre Octavia. Por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su infinito amor. A mis maestros. Por su gran apoyo y motivación en cada etapa de nuestro camino universitario y para la culminación de nuestros estudios profesionales y para la elaboración de esta tesis A mis amigos. Que nos apoyamos mutuamente en nuestra formación profesional y quienes fueron un apoyo emocional para realizar esta tesis. José Luis. i.

(4) AGRADECIMIENTO. A mi asesor de tesis: Ing. Fidel Copa Pineda, por la orientación y ayuda brindada durante el desarrollo de la presente tesis. A los siguientes ingenieros, por absolver las dudas que se tuvieron durante el desarrollo de la tesis: -. Ing. Fernando Enciso Miranda. -. Ing. John Aragón Brousset. -. Ing. Lucio Gamero Huarcaya. -. Ing. Paul Rodriguez Guillen. ii.

(5) RESUMEN La presente tesis tiene como objetivo el análisis y diseño estructural de una nave industrial con un puente grúa de 60 toneladas de capacidad, dicha nave será destinada a la reparación de todo tipo de equipos y maquinarias tales como molinos, volquetes y palas, utilizadas en la minería. La nave industrial consta con 2 partes: una techada con un área de 1200 m2 y una zona no techada con un área de 360 m2. Para que el puente se pueda desplazar a lo largo de dos zonas, se ha optado por utilizar pórticos no arriostrados resistente a momentos. Para el diseño se ha considerado el reglamento Nacional de Edificaciones; E030, E090, E060.y E020. Así como las normas Internacionales, AISC (American Institute of Steel Construction); AISC-360, AISC-341 y AISC-358; debido a que estos contienen mayores alcances para el diseño de estructuras de edificios de acero. Para la estructuración nos basaremos en el criterio de diseño sísmico por capacidad, que contempla rotulas plásticas para la disipación de energía. Para un buen comportamiento estructural se usará pórticos no arriostrados resistente a momentos contemplada en norma AISC 341-18 y AISC 360-18, y para garantizar rotulas plásticas usaremos conexiones precalificadas contempladas en la norma AISC 358-18, el pórtico resistente a momentos solo se usará en dirección transversal de la nave donde se requiere mayor luz para el puente grúa, en la dirección longitudinal se usará pórtico con arriostres. Para el diseño de todos los elementos de acero usamos el método LRFD (Diseño por cargas factorizadas). Los esfuerzos para el diseño, fueron obtenidos a través de un análisis por un software conocido (SAP 2000), Se diseñaron todos los elementos que componen la estructura de acero como son: columnas, viga carrilera, vigas de techo, pernos de anclaje, placas base y conexiones principales.. iii.

(6) Para el diseño de las estructuras de concreto como son los pedestales, zapatas y vigas de cimentación nos basamos en norma E030, E020 y E060 del reglamento nacional de edificaciones. Se realizó el metrado correspondiente a las obras civiles del proyecto, que corresponde a movimiento de tierras, obras de concreto simple, obras de concreto armado y estructuras metálicas como son: perfiles, placas, cobertura, pernos de conexión y pernos de anclaje. Se hizo el análisis de costos unitarios para cada una de las partidas mencionadas para finalmente hacer un presupuesto referencial de costo del proyecto. PALABRAS CLAVES: Pórtico, nave industrial, estructuras de acero, perfiles de acero, diseño estructural, análisis sísmico, puente grúa, pórtico a momentos, conexiones precalificadas. iv.

(7) ABSTRACT. The objective of this thesis is the analysis and structural design of an industrial building with a crane bridge with a capacity of 60 tons. This ship will be used to repair all types of equipment and machinery such as mills, tippers and shovels, used in the mining. The industrial building consists of 2 parts: a roof with an area of 1200 m2 and an uncovered area with an area of 360 m2. So that the bridge can move along in two zones, it has been decided to use non-bracing frames resistant to moments. The National Building regulations have been considered for the design; E030, E090, E060.and E020. As well as International standards, AISC (American Institute of Steel Construction); AISC-360, AISC-341 and AISC-358; because these contain greater scope for the design of steel building structures. For structuring we will rely on the criteria of seismic design by capacity, which includes plastic markers for energy dissipation. For good structural behavior, non-bracing frames resistant to moments referred to in the AISC 341-18 and AISC 360-18 standards will be used, and to guarantee plastic markers we will use pre-qualified connections contemplated in the AISC 358-18 standard, the moment-resistant gantry only it will be used in the transverse direction of the ship where more light is required for the crane bridge, in the longitudinal direction gantry with bracing will be used. For the design of all steel elements we use the LRFD method (Factorized Load Design). The efforts for the design, were obtained through an analysis by a known software (SAP 2000), all the elements that make up the steel structure were designed such as: columns, rail beam, roof beams, anchor bolts, plates base and main connections. For the design of concrete structures such as pedestals, footings and foundation beams we rely on standard E030, E020 and E060 of the national building regulations.. v.

(8) The metering corresponding to the civil works of the project was made, which corresponds to earthworks, simple concrete works, reinforced concrete works and metal structures such as profiles, plates, cover, connection bolts and anchor bolts. The unit cost analysis was performed for each of the mentioned items to finally make a referential budget of the project cost.. KEY WORDS: Gantry, industrial building, steel structures, steel profiles, structural design, seismic analysis, crane bridge, gantry at times, pre-qualified connections. vi.

(9) INDICE DEDICATORIA ......................................................................................................................................... I AGRADECIMIENTO............................................................................................................................... II RESUMEN ............................................................................................................................................... III ABSTRACT ............................................................................................................................................... V INDICE ................................................................................................................................................... VII LISTA DE TABLAS ............................................................................................................................ XIII 1.. 2.. CAPITULO I: GENERALIDADES. ............................................................................................... 1 1.1.. INTRODUCCIÓN..................................................................................................................... 1. 1.2.. OBJETIVOS.............................................................................................................................. 3. 1.2.1.. OBJETIVO GENERAL. ........................................................................................................ 3. 1.2.2.. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. ............................................................................................... 3. 1.3.. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO .......................................................................................... 4. 1.4.. NORMAS Y CÓDIGOS............................................................................................................ 7. 1.5.. ALCANCES .............................................................................................................................. 8. 1.5.1.. MATERIALES ....................................................................................................................... 8. 1.5.2.. CARGAS DE DISEÑO ........................................................................................................ 10. CAPITULO II: ESTRUCTURACIÓN. ........................................................................................ 12 2.1. 2.1.1. 2.2.. 3.. 4.. DEFINICIONES ..................................................................................................................... 12 DISEÑO POR CAPACIDAD .............................................................................................. 12 ESTRUCTURACIÓN ............................................................................................................. 13. 2.2.1.. PÓRTICOS NO ARRIOSTRADOS ..................................................................................... 14. 2.2.2.. COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL ............................................................................ 14. 2.2.3.. PÓRTICOS EN DIRECCIÓN X DE LA NAVE INDUSTRIAL............................................ 16. 2.2.4.. PÓRTICOS EN DIRECCIÓN DE LA NAVE INDUSTRIAL ............................................... 19. CAPITULO III: DIMENSIONAMIENTO................................................................................... 20 3.1.. VIGAS..................................................................................................................................... 20. 3.2.. COLUMNAS .......................................................................................................................... 22. 3.3.. ARRIOSTRE........................................................................................................................... 25. 3.4.. CORREAS .............................................................................................................................. 26. 3.5.. VIGA CARRILERA................................................................................................................ 27. CAPITULO IV: METRADO DE CARGAS................................................................................. 28 4.1. 4.1.1. 4.1.2. 4.2.. CARGAS DE GRAVEDAD ................................................................................................... 28 CARGA MUERTA............................................................................................................... 29 CARGAS VIVAS.................................................................................................................. 31 CARGAS DE VIENTO ........................................................................................................... 31. 4.2.1.. VELOCIDAD DE DISEÑO................................................................................................. 31. 4.2.2.. CARGA EXTERIOR DE VIENTO ...................................................................................... 33. 4.2.3.. ESQUEMA DE PRESIONES DE VIENTO ......................................................................... 36. 4.3.. CARGAS DE SISMO.............................................................................................................. 37. 4.3.1.. ZONIFICACIÓN................................................................................................................. 38. 4.3.2.. FACTOR DE USO E IMPORTANCIA (U) ......................................................................... 40. 4.3.3.. FACTOR DE SUELO (S) .................................................................................................... 40. 4.3.4.. FACTOR DE AMPLIFICACIÓN SÍSMICA (C ................................................................... 41. 4.3.5. SISTEMA ESTRUCTURAL Y COEFICIENTE DE REDUCCIÓN DE LAS FUERZAS SÍSMICAS (𝑹). .................................................................................................................................. 42. vii.

(10) 4.4.. 5.. 4.4.1.. DATOS DEL PUENTE GRÚA............................................................................................ 44. 4.4.2.. DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS TRANSMITIDAS A LA VIGA CARRILERA .......... 46. 4.4.3.. UBICACIÓN DE CARGA ................................................................................................... 49. CAPITULO V: ANÁLISIS ESTRUCTURAL ESTÁTICO Y DINÁMICO .............................. 51 5.1.. GENERALIDADES ................................................................................................................ 51. 5.2.. MODELO ESTRUCTURAL .................................................................................................. 53. 5.2.1.. DEFINICIÓN DE COMBOS .............................................................................................. 56. 5.2.2.. PARÁMETROS SÍSMICOS................................................................................................. 57. 5.2.3. 5.3.. ANÁLISIS DECARGAS MÓVILES ..................................................................................... 59 ANÁLISIS ESTÁTICO PARA CARGAS .............................................................................. 61. 5.3.1.. ESTIMACIÓN DEL PESO (P)............................................................................................ 61. 5.3.2.. DETERMINACIÓN DE LA CORTANTE BASAL ............................................................... 62. 5.4.. ANÁLISIS DINÁMICO.......................................................................................................... 63. 5.4.1.. ACELERACIÓN ESPECTRAL ........................................................................................... 63. 5.4.2.. COMPARACION CORTANTE BASAL SÍSMICO .............................................................. 66. 5.5. 6.. CARGAS DE IZAJE ............................................................................................................... 44. CONTROL DE DESPLAZAMIENTOS ................................................................................. 66. CAPÍTULO VI: DISEÑO DE LOS ELEMENTOS DE ACERO ............................................... 69 6.1.. DISEÑO DE LA VIGA CARRILERA .................................................................................... 69. 6.1.1.. DATOS DEL PUENTE GRÚA............................................................................................ 70. 6.1.2.. DATOS DE LA VIGA CARRILERA .................................................................................... 70. 6.1.3.. CARGA POR RUEDA ........................................................................................................ 71. 6.1.4.. CARGAS DE IMPACTO ..................................................................................................... 71. 6.1.5.. PROPIEDADES DEL ACERO ........................................................................................... 71. 6.1.6.. DEFINICIÓN DE PARÁMETROS DEL PERFIL............................................................... 72. 6.1.7.. DEFINICIÓN DE CASOS DE CARGA .............................................................................. 72. 6.1.8.. COMBINACIONES DE DISEÑO: ...................................................................................... 72. 6.1.9.. CARGAS ÚLTIMAS DE DISEÑO ...................................................................................... 73. 6.1.1.. MOMENTOS ULTIMO DE DISEÑO ................................................................................. 74. 6.1.2.. LÍNEAS DE INFLUENCIA SOBRE UN TRAMO DE LA VIGA CARRILERA ................... 75. 6.1.3.. ANALISIS DE DEFLEXIONES .......................................................................................... 76. 6.1.4.. VERIFICACIÓN DE PANDEO LOCAL DE LA VIGAS ..................................................... 78. 6.1.5.. VERIFICACIÓN DE PANDEO LATERAL TORSIONAL DE LA VIGA CARRILERA ....... 79. 6.1.6.. REVISIÓN POR FLEXIÓN BIAXIAL EN LA VIGA CARRILERA...................................... 83. 6.2.. DISEÑO DE COLUMNAS ..................................................................................................... 84. 6.2.1.. DEFINICIÓN DE PARÁMETROS ..................................................................................... 85. 6.2.2.. VERIFICACIÓN DE PANDEO LOCAL ............................................................................. 87. 6.2.3.. MOMENTOS Y CARGAS AXIALES DE LA COLUMNA EN ESTUDIO ............................ 88. 6.2.4.. RESISTENCIA DE DISEÑO EN COMPRESIÓN ............................................................... 92. 6.2.5.. VERIFICACIÓN POR FLEXIÓN Y COMPRESIÓN BIAXIAL .......................................... 93. 6.2.6.. VERIFICACION DE FLEXION BIAXIAL .......................................................................... 98. 6.3. 6.3.1. 6.4.. DISEÑO DE LA ARMADURA DE TECHO ........................................................................ 100 DISEÑO DE VIGA PRINCIPAL W14X68 ........................................................................ 100 DISEÑO DE ARRIOSTRES ................................................................................................. 111. 6.4.1.. PROPIEDADES DEL ACERO ......................................................................................... 112. 6.4.2.. DEFINICIÓN DE PARÁMETROS DEL PERFIL............................................................. 112. viii.

(11) 6.4.3. 6.5.. DISEÑO DE CONEXIONES ................................................................................................ 115. 6.5.1.. CONEXIONES VIGA COLUMNA .................................................................................... 115. 6.5.2.. DISEÑO DE CONEXIONES EN ARRIOSTRES ............................................................... 122. 6.6. 6.6.1. 7.. DISEÑO DE ARRIOSTRES .............................................................................................. 112. DISEÑO DE ELEMENTOS ADICIONALES ...................................................................... 126 DISEÑO DE PLACA BASE PARA LA COLUMNA W33x241 .......................................... 126. CAPITULO VII: DISEÑO DE ELEMENTOS DE CONCRETO ARMADO ........................ 133 7.1. 7.1.1.. DATOS DE PEDESTALES ............................................................................................... 135. 7.1.2.. ANÁLISIS EN DIRECCIÓN X-X ...................................................................................... 136. 7.1.3.. ANÁLISIS EN DIRECCIÓN Y-Y ....................................................................................... 137. 7.1.4.. DIAGRAMA DE INTERACCIÓN ..................................................................................... 137. 7.1.5.. DISEÑO POR CORTE...................................................................................................... 138. 7.2.. DISEÑO DE LA CIMENTACIÓN ....................................................................................... 140. 7.2.1.. ESTUDIO DE SUELOS DE REFERENCIA ..................................................................... 140. 7.2.2.. DISEÑO DE LA ZAPATA ................................................................................................. 141. 7.3. 8.. DISEÑO DE PEDESTALES ................................................................................................. 133. DISEÑO DE LOSA DE PISO ............................................................................................... 153. CAPÍTULO VIII: PRUEBA DE CARGA DEL PUENTE GRÚA ........................................... 155 8.1. 8.1.1. 8.2.. NORMAS DE REFERENCIA PARA PUENTE GRÚA ..................................................... 155 CONFIGURACIONES DE PRUEBAS ................................................................................ 155. 8.2.1.. PRUEBA DE CARGA CON PESOS CONOCIDOS: ........................................................ 155. 8.2.2.. PRUEBA DE CARGA CON MASAS PATRONES O CALIBRADAS: ............................... 156. 8.2.3.. PRUEBA CON BOLSAS ESPECIALES: .......................................................................... 156. 8.3.. 9.. INTRODUCCIÓN................................................................................................................. 155. PRUEBA DE CARGA CON MASAS PATRONES O CALIBRADAS: .............................. 157. 8.3.1.. EQUIPOS ......................................................................................................................... 157. 8.3.2.. PROCEDIMIENTO .......................................................................................................... 158. CAPITULO IX: ANÁLISIS DE COSTOS Y PROGRAMACION .......................................... 162 9.1.. METRADO Y PRESUPUESTO ........................................................................................... 162. 9.1.1.. METRADO ....................................................................................................................... 162. 9.1.2.. PRESUPUESTO REFERENCIAL .................................................................................... 167. 9.2.. ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIO ................................................................................. 169. 9.3.. PROGRAMACIÓN REFERENCIAL DE OBRA ................................................................. 181. CONCLUSIONES .................................................................................................................................. 182 RECOMENDACIONES ........................................................................................................................ 185 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 186 ANEXOS ................................................................................................................................................. 188 I.. ESTUDIO DE SUELOS ........................................................................................................ 188. II.. PLANOS DE ARQUITECTURA, ESTRUCTURA Y DETALLES ..................................... 188. ix.

(12) LISTA DE FIGURAS FIGURA 1-1 VISTA ISOMÉTRICA DE LA NAVE INDUSTRIAL ................................................................ 2 FIGURA 1-2 PÓRTICO TÍPICO Y PUENTE GRÚA ................................................................................... 5 FIGURA 1-3 VISTA EN PLANTA NAVE INDUSTRIAL............................................................................... 6 FIGURA 1-4 ELEVACIÓN LATERAL NAVE INDUSTRIAL ....................................................................... 6 FIGURA 2-1 UBICACIÓN DE RÓTULAS PLÁSTICAS EN LA VIGA ....................................................... 13 FIGURA 2-2 CLASIFICACIÓN, SEGÚN ANSI/AISC 341-18.................................................................... 15 FIGURA 2-3 ISOMÉTRICO DE PÓRTICOS DE LA NAVE INDUSTRIAL, FUENTE PROPIA ................. 16 FIGURA 2-4 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO PARA PÓRTICOS NO ARRIOSTRADOS ...................... 17 FIGURA 2-5 CONEXIONES (ANSI/AISC 358-16) .................................................................................... 18 FIGURA 2-6 CONFIGURACIONES DE ARRIOSTRES ............................................................................. 19 FIGURA 3-1 TABLA DEL MANUAL OF STEEL CONSTRUCTION LOAD .............................................. 22 FIGURA 3-3 TIPO DE COLUMNAS PARA PUENTES GRÚA ................................................................. 22 FIGURA 3-4 VIGAS CARRILERA APOYADA EN LAS COLUMNAS, FUENTE PROPIA ........................ 24 FIGURA 4-1- MAPA EÓLICO DEL PERÚ NORMA E 020 ....................................................................... 32 FIGURA 4-2 VIENTO EN DIRECCIÓN X DE LA NAVE........................................................................... 34 FIGURA 4-3 FUENTE LUIS F. ZAPATA BAGLIETTO ............................................................................. 35 FIGURA 4-4 PRESIONES EJERCIDA EN LA NAVE EN KGF/M2, FUENTE PROPIA ............................ 37 FIGURA 4-5 ZONAS SÍSMICAS. (FUENTE: NORMA E.030) .................................................................. 39 FIGURA 4-6 SISTEMAS ESTRUCTURALES Y COEFICIENTE BÁSICO DE REDUCCIÓN R. (FUENTE: NORMA E.030)........................................................................................................................................... 42 FIGURA 4-7 DISTRIBUCIÓN DE LOS PÓRTICOS A LO LARGO DE LA NAVE .................................... 43 FIGURA 4-8 PUENTE GRÚA (FUENTE PROPIA) .................................................................................. 44 FIGURA 4-9 ESQUEMA CON PARTES DEL PUENTE GRÚA ................................................................ 45 FIGURA 4-10 CARGAS VIVA DEL PUENTE GRÚA ................................................................................ 47 FIGURA 4-11 CARGAS DEL PUENTE GRÚA TRASMITIDA A LA VIGA CARRILERA .......................... 47 FIGURA 4-12 UBICACIÓN DE LA CARGA 1, RESPECTO AL PUENTE GRÚA .................................... 49 FIGURA 4-13 UBICACIÓN DE LA CARGA 2, RESPECTO AL PUENTE ................................................ 50 FIGURA 4-14 POSICIÓN DEL PUENTE RESPECTO A LA NAVE .......................................................... 51 FIGURA 5-1 CONFIGURACIÓN DEL MODELO EN 3D ......................................................................... 54 FIGURA 5-2 DISTRIBUCIÓN DE LAS CARGAS DE VIENTO EN LAS CORREAS .................................. 55 FIGURA 5-3 VISTA DE LOS ARRIOSTRES EN FORMA DE CRUZ ......................................................... 56 FIGURA 5-4 ESQUEMA DE PÓRTICOS EN LA NAVE INDUSTRIAL ..................................................... 58 FIGURA 5-5 UBICACIÓN DE 2 CARGAS MÓVILES CONSECUTIVAS IGUALES ................................. 59 FIGURA 5-6 UBICACIÓN DE LAS CARGAR MÓVILES EN LA VIGA CARRILERA ............................... 60 FIGURA 5-7 TRANSMISIÓN DE LAS CARGAS VERTICAL, HORIZONTAL Y LONGITUDINAL DEL PUENTE GRÚA A LA VIGA CARRILER .................................................................................................... 61 FIGURA 5-8 ESPECTRO DE ACELERACIÓN EN DIRECCIÓN X .......................................................... 65 FIGURA 5-9 ESPECTRO DE ACELERACIÓN EN DIRECCIÓN Y ........................................................... 65 FIGURA 5-10 DESPLAZAMIENTO DE LA ESTRUCTURA DEBIDA AL SISMO EN DIRECCIÓN X ..... 68 FIGURA 5-11 DESPLAZAMIENTO DE LA ESTRUCTURA DEBIDA AL SISMO EN DIRECCIÓN Y...... 69 FIGURA 6-1 VIGA CARRILERA APOYADA EN COLUMNAS CADA 6 M ............................................... 70 FIGURA 6-2 VIGA CARRILERA ............................................................................................................... 70 FIGURA 6-3 VIGA CARRILERA W24X192 ............................................................................................... 72 FIGURA 6-4 UBICACIÓN DE LA LAS CARGAS MÓVILES CUANDO X=3.0M...................................... 74 FIGURA 6-5 UBICACIÓN DE LAS CARGAS PUNTUALES SOBRE LA VIGA CARRILERA ................... 75. x.

(13) FIGURA 6-6 LÍNEA DE INFLUENCIA DE CARGAS MÓVILES, MOMENTO Y CORTANTE ................. 75 FIGURA 6-7 RESULTADOS MOMENTOS Y CORTANTE SOBRE LA VIGA CARRILERA ...................... 76 FIGURA 6-8 UBICACIÓN MÁS CRÍTICA DEL PUENTE GRÚA PARA EL CÁLCULO DE DEFLEXIONES .......................................................................................................................................... 76 FIGURA 6-9 UBICACIÓN DE LAS RUEDAS EN LA VIGA CARRILERA ................................................. 77 FIGURA 6-10 DIAGRAMA DE MOMENTOS PARA EL CÁLCULO DEL COEFICIENTE CB ................ 81 FIGURA 6-11 ESQUEMA DE LA UBICACIÓN DE LA COLUMNA EN ESTUDIO.................................. 85 FIGURA 6-12 ESQUEMA COLUMNA W33X241 ..................................................................................... 85 FIGURA 6-13 PÓRTICO TÍPICO -COLUMNA W33X241, FUENTE PROPIA ........................................ 88 FIGURA 6-14 DIAGRAMA DE MOMENTOS EJE 6; COMBINACIÓN U2=1.2D+ 1.6L+0.5L ............... 89 FIGURA 6-15 DIAGRAMA DE MOMENTOS EJE 6; COMBINACIÓN U9=0.9D+ 1.0E ........................ 89 FIGURA 6-16 DIAGRAMA DE FUERZAS AXIALES PÓRTICO EJE 6; COMBINACIÓN U2=1.2D+ 1.6L+0.5L ................................................................................................................................................... 90 FIGURA 6-17 DIAGRAMA DE FUERZAS AXIALES PÓRTICO EJE 6; COMBINACIÓN U9=0.9D+ 1.0E .... 90 FIGURA 6-18 VIGA W14X68, FUENTE PROPIA ................................................................................... 100 FIGURA 6-19 ESQUEMA DE VIGA W14X68 ......................................................................................... 101 FIGURA 6-20 ISOMÉTRICO DE LA VIGA W14X68............................................................................... 101 FIGURA 6-21 DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR DEBIDO A LA COMBINACIÓN U3................ 104 FIGURA 6-22 DIAGRAMA DE MOMENTO FLECTOR DEBIDO A LA COMBINACIÓN U4................ 104 FIGURA 6-23 DIAGRAMA DE MOMENTOS PARA EL CÁLCULO DEL COEFICIENTE CB .............. 105 FIGURA 6-24 DIAGRAMA DE CORTE DEBIDO A COMBINACIÓN U3 .............................................. 108 FIGURA 6-25 DEFLEXIONES, LÍMITES SEGÚN IBC 2009 .................................................................. 110 FIGURA 6-26 DEFLEXIÓN POR CARGAS MÁS DESFAVORABLES U3=1.2D+1.6LR+0.8W ............ 110 FIGURA 6-27 DETALLE TÍPICO ARMADO DE ARRIOSTRE TS8X8X3/16 .......................................... 111 FIGURA 6-28 DIAGRAMA DE FUERZAS AXIALES PÓRTICO EJE A COMBINACIÓN U5 ................ 113 FIGURA 6-29 DIAGRAMA DE FUERZAS AXIALES PÓRTICO EJE A COMBINACIÓN U6 ................ 113 FIGURA 6-30 ESQUEMA DE CONEXIÓN ............................................................................................. 116 FIGURA 6-31 ESQUEMA DE CONEXIONES PRECALIFICADAS, FUENTE AISC 358-16.................. 118 FIGURA 6-32 ESQUEMA DE PLACA DE CONEXIÓN .......................................................................... 119 FIGURA 6-33 ESQUEMA DE ÁREA DE CORTE ................................................................................... 121 FIGURA 6-34 DIAGRAMA DE CONEXIÓN DE ARRIOSTRE................................................................ 122 FIGURA 6-35 DIAGRAMA DE BLOQUE DE CORTE ............................................................................ 124 FIGURA 6-36 CONEXIÓN COLUMNA PEDESTAL, FUENTE PROPIA ............................................... 126 FIGURA 6-37 FUERZAS EN LA PLACA BASE, FUENTE PROPIA ....................................................... 128 FIGURA 6-38 DISTRIBUCIÓN DE ANCLAJES EN PLACA BASE ......................................................... 129 FIGURA 6-39 DIMENSIONES DE LA PLACA BASE EN MM ................................................................ 131 FIGURA 6-40 DIAGRAMA PARA EL CÁLCULO DE ESPESOR DE LA PLACA ................................... 132 FIGURA 6-41 MEDIDAS DE PLACA BASE EN MM, FUENTE PROPIA ............................................... 132 FIGURA 7-1 DIMENSIONES DE LA PLACA BASE ............................................................................... 133 FIGURA 7-2 CONO DE ROTURA DEL CONCRETO ............................................................................. 134 FIGURA 7-3 DIMENSIÓN DEL PEDESTAL .......................................................................................... 134 FIGURA 7-4 DETALLE DE ACERO EN PEDESTALES ......................................................................... 137 FIGURA 7-5 DIAGRAMA DE INTERACCIÓN ....................................................................................... 137 FIGURA 7-6 ZAPATA EJE A-6, SOMETIDAS A CARGAS MÁS CRITICAS............................................ 141 FIGURA 7-7 DIAGRAMA DE ENVOLVENTE DE PRESIONES EN LA ZAPATA AISLADA .................. 146 FIGURA 7-8 CORTE POR PUNZONAMIENTO, ESQUEMA FUENTE PROPIA .................................. 147 FIGURA 7-9 DIAGRAMA DE CORTANTE RESPECTO A L=3.2 ........................................................... 148. xi.

(14) FIGURA 7-10 DIAGRAMA DE CORTANTE RESPECTO A B=2.4 ......................................................... 149 FIGURA 7-11 DIAGRAMA DE DISEÑO POR FLEXIÓN FUENTE PROPIA ......................................... 150 FIGURA 7-12 ACERO DE REFUERZO EN ZAPATAS ........................................................................... 151 FIGURA 7-13 VIGA DE CIMENTACIÓN ............................................................................................... 153 FIGURA 7-14 CAMA BAJA DE 3 EJES ................................................................................................... 153 FIGURA 7-15 DETALLE DE LOSA DE PISO ........................................................................................ 154 FIGURA 8-1 PRUEBAS DE CARGA CON BOLSA DE AGUA, FUENTE MARCA DOOFLEX .............. 157 FIGURA 8-2 YUGO DE IZAJE ................................................................................................................ 160 FIGURA 8-3 FORMA DE PRUEBA DE CARGA POR MASAS PATRONES ........................................... 161. xii.

(15) LISTA DE TABLAS TABLA 1:VALORES DE PERALTE ESTIMADOS PARA VIGAS ............................................................... 20 TABLA 2: RELACIÓN ENTRE MODULO PLÁSTICO DE COLUMNAS Y VIGAS ......................................... 23 TABLA 3:TABLA DE CARGAS; FUENTE: DISTRIBUIDOR PRECOR S.A................................................. 29 TABLA 4: FACTOR DE FORMA ADIMENSIONAL NORMA E 020 .......................................................... 34 TABLA 5 : REFERENCIA NORMA E 030........................................................................................... 39 TABLA 4.7 FACTOR DE SUELO “S”. (FUENTE: NORMA E.030) ....................................................... 41 TABLA 4.8 PERIODOS “𝑇𝑝” Y “𝑇𝐿”. (FUENTE: NORMA E.030) ..................................................... 41 TABLA 10 VALORES DE ESPECTRO DE RESPUESTA.......................................................................... 64 TABLA 11 CÁLCULO DEL FACTOR DE ESCALAMIENTO DE LAS FUERZAS SÍSMICAS (FUENTE PROPIA) 66 TABLA 12 LIMITES PARA LA DISTORSIÓN DEL ENTREPISO. (FUENTE: NORMA E.030) ..................... 67 TABLA 14 DISTORSIONES DE ENTREPISO PARA EL SISMO Y. (FUENTE: DISEÑO PROPIO) ................. 68 TABLA 15 COMBINACIÓN DE CARGAS EN PEDESTALES ................................................................ 136 TABLA 16 COMBINACIÓN DE CARGAS EN EL PEDESTAL EJE A-6 ................................................... 141 TABLA 17 REACCIÓN DE ESTADOS DE CARGA EN EL PEDESTAL EJE A-6 ........................................ 142 TABLA 18 ENVOLVENTE DE PRESIONES EN DIRECCIÓN X ............................................................. 145 TABLA 19 ENVOLVENTE DE PRESIONES EN DIRECCIÓN Y .............................................................. 146. xiii.

(16) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL. 1. 1.1.. CAPITULO I: GENERALIDADES.. INTRODUCCIÓN En los últimos años la industria y minería en Perú ha crecido a un ritmo impresionante, por lo. que cada vez son más requeridos los espacios techados en donde lleven a cabo sus operaciones, dichos espacios deben contar con características y formas particulares y estos puedan ser construidos de manera rápida con costos relativamente bajos y de forma segura. Una nave industrial es el tipo de edificación que se utiliza con el fin de albergar los procesos de producción de cualquier sector industrial, tales como en la industria siderúrgica, metal mecánica, manufacturera y alimenticia, sin importar la maquinaria que utilicen y también puede funcionar como centro para el almacenaje de la mercancía producida, materia prima y otros bienes, puesto que tiene la versatilidad de ser construida con las medidas necesarias, tanto en superficie como en altura. Las naves industriales son más utilizadas en la industria metal mecánica a su vez la mayoría van acompañadas de puentes grúa para el fácil desplazamiento de equipos, la construcción de una nave industrial es muy importantes porque protege a los equipos y trabajadores, por ejemplo; de vientos: que traen consigo partículas de polvo, lluvia: que podrían generar problemas debido a la presencia de agua en el momento de realizar la soldadura y también podría producir cortos circuitos en los equipos ; rayos solares: las altas temperatura pueden causar des calibración de equipos y en los trabajadores puede causar fatigas por tanto menos rendimiento en su trabajo , de la misma manera cuando tenemos bajas temperatura, ya que se requiere un ambiente de confort para poder realizar los trabajos de soldadura y montaje de equipos industriales y mineros. 1.

(17) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Figura 1-1 Vista Isométrica de la Nave Industrial. ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. 2.

(18) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. Las naves industriales con estructuras de acero, son las más comunes, ya que son fáciles y rápidas de construir, tienen la ventaja de permitir espacios iluminados más grandes sin la necesidad de colocar columnas dentro del inmueble, lo que optimiza el uso del espacio interior, lo cual nos permite colocar y proteger equipos, instalaciones eléctricas y mecánicas que se instalen dentro de la nave industrial. 1.2.. OBJETIVOS. 1.2.1.. OBJETIVO GENERAL.. Realizar el análisis y diseño estructural, de una nave industrial con un puente grúa de 60 ton, y presentar los resultados en un juego de planos estructurales. 1.2.2.. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. . Aplicar el Reglamento Nacional de Edificaciones, las normas E.090 Estructuras metálicas, E.020 Cargas, E.030 de Diseño Sismorresistente y E.060 de Concreto armado.. . Aplicar reglamentos americanos tales como ANSI/AISC, AISC-360 Diseño general de miembros en acero y especificaciones, AISC-341 Diseño Sismorresistente en edificaciones y AISC-358 Conexiones precalificadas a momentos.. . Hacer uso del conocimiento adquirido de las teorías de diseño de estructuras de acero y establecer criterios de estructuración y pre-dimensionamiento de los elementos estructurales de acero. . Hacer uso razonable de los softwares de diseño estructural y corroborar sus resultados mediante cálculos manuales.. . Incentivar la elaboración de estructuras de este tipo para suplir las necesidades de este tipo de infraestructura. . Brindar información más detallada sobre este tipo de edificaciones en acero, que son de gran demanda en construcciones civiles.. . Hacer un presupuesto referencial y una programación de obra referencial 3.

(19) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. 1.3.. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO. El objeto del presente proyecto es diseñar una nave industrial destinada a la reparación de todo tipo de equipos y maquinarias utilizados en una planta minera tales como: molinos, volquetes y palas. Por su gran tamaño y peso estos equipos solo se pueden reparar y volver a ensamblar en naves con estas características. La “Nave Industrial” de la presente tesis cuenta con una zona techada en donde se hará la reparación y ensamblaje de equipos y maquinarias, también cuenta con una zona no techada en donde se hará el arenado y pintado de los equipos según se requiera, ver (Figura 1-1). El puente grúa se desplazará en las dos zonas de la nave, dicho desplazamiento hizo más dificultoso e interesante el análisis y los cálculos de la nave industrial que se plantea en la presente tesis. La nave industrial, se encuentra ubicado en el distrito la joya, provincia de Arequipa, región Arequipa esta ubicación es estratégica ya que esta entre el puerto de Matarani donde se importan repuestos y las minas, como Cerro Verde. El proyecto comprende el análisis y diseño estructural de una nave industrial con puente grúa de 60 TN con las siguientes características: La nave industrial consta de pórticos no arriostrados con 20 m de luz, con una separación entre pórticos de 6 m, y una altura libre interior adecuada; tiene una cubierta a 2 aguas con 10% de pendiente cada una, la viga carrilera que sostiene al Puente Grúa se encuentra a 10.8 m desde el nivel del piso terminado la cobertura final tiene una altura de 16.6 m como podemos observar en la (Figura 1-2). 4.

(20) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. Figura 1-2 Pórtico típico y puente grúa. Como se observa en la (figura 1-2) la cimentación consta de zapatas aisladas unidas mediante pedestales a las columnas metálicas, tenemos un piso de pavimento rígido de gran resistencia capaz de soportar grandes cargas provenientes de equipos y maquinarias. La nave industrial cubre un área aproximada de 1560 m2, (figura 1-3,4). Zona techada de 1200 m2 destinada para el ensamblaje, reparaciones y trabajos de soldaduras. Zona no techada de 360 m2 para el arenado o granallado de pieza metálicas y lavado de las mismas, el puente grúa de 60 toneladas de capacidad nos facilitara el desplazamiento de cualquier equipo o material a cualquier parte de la nave.. 5.

(21) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. Dentro de las posibles estructuras que se pueden realizar, escogí una nave industrial destinada a reparación de todo tipo de equipos y maquinarias para la explotación de minerales porque son unas de las principales bases económicas en la zona donde he vivido, crecido y estudiado. Figura 1-3 Vista en Planta Nave Industrial. Figura 1-4 Elevación lateral Nave Industrial. 6.

(22) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. 1.4.. NORMAS Y CÓDIGOS. Reglamento Nacional de Edificaciones -. E020. Cargas. -. E030. Diseño Sismorresistente. -. E050. Suelos y Cimentaciones. -. E060. Concreto Armado. -. E090. Estructuras metálicas. Normas Internacionales Cargas, Combinaciones de Cargas -. ASCE 7-10: "Mínimum Design Loads for Buildings and Other Estructures", Cargas mínimas de diseño para edificaciones y otras estructuras.. -. IBC 2012: "Intemational Building Code “, Código internacional de la construcción Puentes Grúa. Puentes Grúa -. MBMA 2012: "Metal Building System Manual" Manual de sistemas de edificios de acero.. -. CMAA "Crane Manufacturers Association of America", Asociación Americana de manufactura de Puentes Grúa.. Diseño en Acero -. AISC 325 -11 "Steel Construction Manual" Manual de Construcción en Acero. 31. -. AISC 341: "Seismic Provisions for Structural Steel Buildings" Provisiones sísmicas para edificios de acero.. 7.

(23) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. -. AISC 358: "Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications" Conexiones precalificadas para pórticos especiales resistentes a momentos y pórticos intermedios resistentes a momento para aplicaciones sísmicas.. -. AISC Guide Design N°1: "Base Plate and Anchor Rod Design", Diseño de Pernos de. Placa Base y Pernos de Anclaje. -. AISC Guide Design N°7: "Industrial Buildings Roofs to Anchor Rods" Concreto armado y Pernos de Anclaje. -. ACI 318, American Concrete Institude Asociación Americana, Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural. Soldadura -. A WS D 1.1 "Estructural Welding Code" Código de la soldadura estructural. Pruebas de carga del puente grúa -. OSHA 1910.179(b)(5) pg. 7 puente grúa y grúa de pórticos. -. OSHA 1903.1 estándares y regulaciones requerimientos mínimos. -. ASME B3.2-2.1.6 2011 inspección antes de ser puesta en marcha. 1.5.. ALCANCES. 1.5.1.. MATERIALES 1.5.1.1.. ACERO ESTRUCTURAL. Los elementos principales como columnas y vigas, también para elementos secundarios como arriostres correas de techo se usarán perfiles laminados cuyas propiedades principales son:. -. Tipo de Acero: ASTM A-36 Gr. 36. -. Peso específico del acero: 7850 kgf/cm3. -. Resistencia a la Fluencia: 2530 kgf/cm3. 8.

(24) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. -. Módulo de elasticidad del corte de acero: 787221 kgf/cm2. -. Módulo de elasticidad del acero: 2100000 kgf/cm2. -. Resistencia ultima a la Tensión: 4080 kgf/cm2. 1.5.1.2.. PERNOS. Los pernos de conexión serán de alta resistencia A325 o ASTM F3125 -. Tipo de Acero: ASTM A325. -. Resistencia al Corte:3375 kgf/cm2. -. Resistencia a la tensión:6320 kgf/cm2. -. Tipo de Acero: ASTM A490. -. Resistencia al Corte:4220 kgf/cm2. -. Resistencia a la tensión:7940 kgf/cm2 1.5.1.3.. SOLDADURA. El electrodo de la soldadura a usar en el diseño será:. -. Tipo de electrodo: E070. -. Resistencia a la tensión: 4925kg/cm2. 1.5.1.4.. CONCRETO. -. Resistencia a la Compresión: f'c=210kg/cm2. -. Módulo de Elasticidad: 15000√𝑓′𝐶. Acero de Refuerzo -. ASTM A615, Grado 60.. -. Esfuerzo de Fluencia Fy=4200kg/cm2. 9.

(25) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. 1.5.2.. CARGAS DE DISEÑO. El diseño de la nave industrial se hará bajo las cargas de diseño descrita en la norma E090 y en la norma ASCE 7 -05 Combinaciones Básicas. Estructuras, componentes y fundaciones se diseñarán de modo que su fuerza de diseño sea igual o excede los efectos de las cargas factorizadas en la siguiente combinación: (ASCE7-05, 2006, pág. 5) 1.4(𝐷 + 𝐹) 1.2(𝐷 + 𝐹 + 𝑇) + 1.6(𝐿 + 𝐻) + 0.5(𝐿r o S o R) 1.2𝐷 + 1.6(𝐿𝑟 𝑜 𝑆 𝑜 𝑅) + (𝐿 o 0.8W) 1.2𝐷 + 1.6𝑊 + L + 0.5(𝐿𝑟 𝑜 𝑆 𝑜 𝑅) 1.2𝐷 + 1.0𝐸 + 𝐿 + 0.25𝑆 0.9𝐷 + 1.6𝑊 + 1.6H 0.9𝐷 + 1.6𝐸 + 1.6H SÍMBOLOS Y NOTACIÓN D = carga muerta Do = peso del hielo E = carga de terremoto F = carga debido a fluidos con presiones bien definidas y alturas máximas Fa = carga de inundación H = carga debido a la presión lateral de la tierra, presión del agua subterránea, o presión de materiales a granel L = carga viva Lo = carga viva del techo R = carga de lluvia 10.

(26) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. S = carga de nieve T = fuerza auto esfuerzo W = carga de viento Wo = viento en el hielo Cargas, Factores de Carga y Combinación de Cargas La resistencia requerida de la estructura y sus elementos debe ser determinada para la adecuada combinación crítica de cargas factorizadas. El efecto crítico puede ocurrir cuando una o más cargas no estén actuando. Para la aplicación del método LRFD, las siguientes combinaciones deben ser investigadas: (E090, 2016, pág. 5) Las siguientes cargas nominales deben ser consideradas: D: Carga muerta debida al peso propio de los elementos. L: Carga viva debida al mobiliario y ocupantes. Lr: Carga viva en las azoteas. W:. Carga de viento.. S: Carga de nieve. E: Carga de sismo de acuerdo a la Norma E.030 Diseño Sismo Resistente. R: Carga por lluvia o granizo. 1.4𝐷 1.2𝐷 + 1.6𝐿 + 0.5(𝐿r o S o R) 1.2𝐷 + 1.6(𝐿𝑟 𝑜 𝑆 𝑜 𝑅) + (0.5𝐿 o 0.8W) 1.2𝐷 + 1.3𝑊 + 0.5𝐿 + 0.5(𝐿𝑟 𝑜 𝑆 𝑜 𝑅) 1.2𝐷 ± 1.0𝐸 + 0.5𝐿 + 0.25𝑆 0.9𝐷 ± (1.3𝑊 𝑂 1.0𝐸). 11.

(27) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. 2.. CAPITULO II: ESTRUCTURACIÓN.. En este capítulo veremos los criterios que se usaran para la estructuración de la nave industrial, cuidando que se comporte sísmicamente de una forma adecuada. 2.1.. DEFINICIONES A inicio de los años 50 y 60, se inicia en Nueva Zelanda un concepto de diseño de edificios. denominada "Diseño por Capacidad'' lo cual se extendió posteriormente a EEUU y el resto de países que tienen zonas sísmicas dentro de su territorio. Este concepto estaba dirigido a evitar el colapso de edificaciones ante sismos severos a través del control de las posibles fallas frágiles y propiciar mecanismos dúctiles, en un rango de desplazamientos que superen la condición elástica. Las estructuras deben ser capaces de incursionar en el rango inelástico de forma estable, y disipar energía controlando el daño ocasionado por un evento sísmico. ¿Qué tipo de daño se acepta? ¿Cómo controlar el daño para evitar el colapso? Estas preguntas representan un desafío constante en la ingeniería civil en los últimos 50 años En estos últimos años todas estas interrogantes están plasmadas en las normas AISC, tales como ANSI/AISC 360 donde nos habla de diseños generales de miembros y sus especificaciones, ANSI/AISC 341 se encuentra el diseño sismo resistente de edificaciones y ANSI/AISC 348 en donde se ve las conexiones precalificadas a momentos 2.1.1.. DISEÑO POR CAPACIDAD. La estrategia para conseguir un comportamiento plástico en la estructura, es establecer eslabones débiles (rotulas plásticas) que tengan un comportamiento dúctil, manteniendo el resto de los miembros como eslabones fuertes de posible comportamiento frágil en el rango elástico. Los eslabones débiles permitirán una disipación de energía y permite que toda la estructura se comporte de forma dúctil.. 12.

(28) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. Como sabemos en el eslabón débil (rotula plástica), se ve afectado por la máxima fuerza cortante, el máximo momento flector, para que pueda disipar de energía, a partir de estas máximas fuerzas que se esperan en el eslabón débil se puede diseñar todo el resto de la estructura, con esto garantizo que toda la estructura fuera del eslabón débil no falle antes que el mismo, a esto se conoce como diseño por capacidad.. Figura 2-1 Ubicación de rótulas plásticas en la viga. Resumiendo, los mecanismos frágiles se diseñan a partir de las fuerzas obtenidas de los mecanismos dúctiles para prevenir que no se presente una falla frágil antes de una falla dúctil 2.2.. ESTRUCTURACIÓN. Como sabemos las naves industriales son estructura de acero con un sistema formado por pórticos vinculados entre sí mediante conexiones y arriostres, de tal modo que todo el conjunto de la nave cumpla con las condiciones de estabilidad, resistencia y rigidez, que son necesarias para que tenga un adecuado comportamiento estructural, debido a eso, es importante establecer un sistema estructural adecuado.. 13.

(29) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. La Norma E.030-16 Diseño Sismo Resistente y la Norma ANSI/AISC 341-16 Seismic provisions for Stuctural Steel Buildings, establecen algunos criterios de estructuración basándose en aspectos importantes tales como rigidez, resistencia y ductilidad de la estructura. 2.2.1.. PÓRTICOS NO ARRIOSTRADOS. Basados en la clasificación Sismorresistente de la Norma ANSI/AISC 341-18 usaremos los pórticos no arriostrados, o pórticos a momentos, ya que requerimos de grandes luces una dirección de la nave industrial. Los pórticos resistentes a momento son ensambles rectilíneos de vigas y columnas conectadas entre sí mediante soldaduras, pernos o ambos. Los miembros componentes de estos pórticos quedan sometidos principalmente a momentos flectores y esfuerzos de corte, que controlan su diseño, este tipo estructural se caracteriza por su elevada capacidad de disipación de energía. 2.2.2.. COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL. Un aspecto fundamental en el diseño de los pórticos no arriostrados son las conexiones vigacolumna, las que son necesarias desde el punto de vista constructivo y deben asegurar que las vigas pueden desarrollar su capacidad a flexión. Para el caso particular de la acción sísmica los momentos flectores desarrollan sus valores máximos en los extremos de vigas y columnas, donde pueden formarse rótulas plásticas para permitir la disipación de energía por fluencia del acero, con el mecanismo de viga débil-columna fuerte. Las especificaciones AISC 341-18 definen tres tipos de pórticos no arriostrados: especiales (SMF), intermedios (IMF) y ordinarios (OMF), de acuerdo al grado de comportamiento dúctil que se considera en el diseño. La diferencia fundamental entre ellos es que se diseñan con distintos niveles de capacidad de rotación inelástica en las rótulas plásticas. (ANSI/AISC 341-18, 2018) Clasificación de los sistemas estructurales Sismo Resistente para construcciones de acero:. 14.

(30) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. Figura 2-3 Clasificación, según ANSI/AISC 341-18. Pórticos Ordinarios a Momento (OMF): Se diseñan para que tengan principalmente un comportamiento elástico, con una capacidad limitada de incursionar en el rango inelástico y disipar energía. El detallado se presenta de forma convencional sin mayores exigencias sísmicas. Se utilizan en zonas de baja sismicidad. Pórticos Intermedios a Momento (IMF): Se diseñan para que sean capaces de incursionar en el rango inelástico con una ductilidad y disipación de energía moderada, para lo cual se requiere limitar la generación de fallas frágiles, presentando un detallado sismo resistente considerable conforme a la Norma. Se utilizan en zonas de moderada sismicidad. Pórtico Especiales a Momento (SMF): Se diseñan para que sean capaces de incursionar en el rango inelástico con una ductilidad y disipación de energía elevada, para lo cual se requiere un estricto control de fallas frágiles presentando el detallado sismo resistente más exigente conforme a la Norma. Se utilizan en zonas de alta sismicidad. La diferencia fundamental entre ellos es que se diseñan con distintos niveles de capacidad de rotación inelástica en las rótulas plásticas. 15.

(31) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. Figura 2-4 Isométrico de pórticos de la nave industrial, fuente propia. 2.2.3.. PÓRTICOS EN DIRECCIÓN X DE LA NAVE INDUSTRIAL. Como observamos en la (figura 2-3) la nave industrial a diseñar se contempla dos tipos de pórticos, en la dirección x de la nave industrial se encuentra los pórticos principales, dichos pórticos se diseñarán como pórticos no arriostrados o pórticos a momentos ya que se requiere grades luces en dicha dirección de la nave. Según la clasificación de los sistemas estructurales Sismo Resistente de pórticos no arriostrados, para el análisis del pórtico en dirección x de la nave industrial elegiremos el Pórtico Intermedio Resistente a Momentos (IMF) Los pórticos no arriostrados intermedios son los que presentan capacidad de disipación de energía moderada (ductilidad limitada), a partir de la formación de rótulas plásticas y de la fluencia. 16.

(32) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. de la zona panel en las columnas. Acorde a ello, se diseñan con un factor de modificación de respuesta menor que los pórticos especiales (R=7.0 en los reglamentos norteamericanos). Las especificaciones sísmicas AISC vigentes indican los requisitos propios que deben cumplir los pórticos intermedios, que en este caso son menos estrictos que para los pórticos especiales. Se requiere también del uso de conexiones precalificadas y los extremos de las vigas se consideran como zonas protegidas por eso son importantes las Conexiones viga-columna. Figura 2-4 requerimientos de diseño para pórticos no Arriostrados. Como consecuencia del terremoto de Northridge de 1994, y según lo explicado anteriormente se incrementaron significativamente los requisitos que deben cumplir las conexiones vigascolumnas en estructuras dúctiles de acero, particularmente en los pórticos no arriostrados, con el objeto de evitar las fallas observadas luego de ese terremoto. Para el diseño de las nuevas conexiones y el refuerzo de las existentes se consideraron dos criterios principales: -. Reubicar la rótula plástica en las vigas alejándolas de la cara de las columnas. -. Incrementar la relación entre la capacidad flexional de la conexión y la resistencia de la viga (momento de plastificación, Mp).. 17.

(33) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. Como consecuencia de los requerimientos vistos anteriormente la norma AISC nos brinda conexiones precalificadas para pórticos no arriostrados especiales y pórtico intermedios. 2.2.3.1.. CONEXIONES PRECALIFICADAS. El reglamento ANSI/AISC 358-18, Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications (AISC 318, 2018c), indica los criterios de diseño, detallado y fabricación para conexiones precalificadas. Los miembros a conectar deben cumplir con estrictos requerimientos para asegurar que se puedan desarrollar las deformaciones inelásticas necesarias. Este reglamento, en su última versión del año 2016, incluye diez conexiones precalificadas diferentes, las que pueden usarse en pórticos especiales e intermedios. La principal ventaja de esta conexión es la rapidez del montaje y el hecho de evitar totalmente la soldadura en obra esta sería la principal ventaja por la cual escogí este tipo de conexión, como desventaja puede mencionarse la posibilidad de alabeo de la placa de extremo por la soldadura, la baja tolerancia a errores en la longitud de la viga y el eventual desarrollo del efecto de palanca debido a los esfuerzos de tensión en los pernos. (AISC-358, 2016).. Figura 2-5 Conexiones (ANSI/AISC 358-16). 18.

(34) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. 2.2.4.. PÓRTICOS EN DIRECCIÓN DE LA NAVE INDUSTRIAL. En esta dirección de la nave industrial tenemos los pórticos secundarios que tienen 6 m de luz en esta dirección podemos usar arriostres puesto que no tenemos accesos. A continuación, veremos los tipos de arriostres y usaremos el más conveniente para nuestro proyecto. Los pórticos arriostrados pueden diseñarse con diversas configuraciones de arriostres, las que deben respetar no solo criterios estructurales, sino también requerimientos funcionales (por ejemplo, por la ubicación de puertas y ventanas), económicos, estéticos, etc. Cuatro de las configuraciones más usuales se representan esquemáticamente en la Figura 2-6. (a) en X, (b) diagonales, (c) en V y (d) en V invertida o Chevron.. 2.2.4.1.. Figura 2-6 Configuraciones de arriostres. PÓRTICOS ARRIOSTRADOS CON TENSORES EN X. Los pórticos con tensores en X (ver Figura 2-6-a) fueron uno de los primeros sistemas con arriostramiento que se utilizaron y aún se usan en la actualidad para estructuras cuyo diseño está controlado por acciones de viento y sismo, se ha visto por conveniente usar el arriostramiento tipo X, compuestos por dos perfiles, que arriostrarán los patines de las columnas, ya que estas son de gran peralte, también permitirán que aporte al desempeño de la estructura ante las cargas de impacto del puente grúa, debido a la aceleración y desaceleración que experimenta el puente grúa.. 19.

(35) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. 3.. CAPITULO III: DIMENSIONAMIENTO. En el presente capítulo pre dimensionaremos los diferentes tipos de elementos que existen en la nave industrial tomando en cuenta el sistema estructural y las acciones que inciden en cada elemento 3.1.. VIGAS. Las vigas de techo transmiten las cargas provenientes de la estructura de techo a la estructura principal. Estos elementos resisten la carga muerta de la cobertura, las cargas de viento y la carga viva de techo, el pre-dimensionado de vigas se realizará por la condición de techos con recubrimiento flexible para ello consideramos una cobertura del tipo TR-4, el pre dimensionado de vigas se realizará por la condición de las deflexiones o flechas máximas recomendadas por la AISC, para dichos elementos.. Tabla 1:Valores de peralte estimados para vigas 1 1. Tabla 1 propuesto por el Ing. Gabriel Valencia Clement, basado en las normas ANSI/AISC. 20.

(36) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. Los pórticos principales tienen una luz de 20m, cada viga tendrá una longitud de 10m distribuidos en dos aguas, en el extremo superior estará rigidizado por una columna perpendicular. consideramos el dimensionamiento inicial propuesto por el Ing. Gabriel Valencia Clement. h. Ln 28. h. 10  0.357m  35.7cm  14.05" 23. h: Peralte de la viga Ln: Luz libre de la viga. El peralte de la viga será igual a 14”, por lo tanto, seleccionaremos una viga de W14, para poder dimensionar la columna, usaremos una viga W14x193 que es intermedio entre los perfiles W14, para ello recurrimos a la tabla de perfiles del AISC.. Figura 3-1 TABLA DEL MANUAL OF STEEL CONSTRUCTION LOAD2. 2. MANUAL OF STEEL CONSTRUCTION LOAD & RESISTANCE FACTOR DESIGN. Volume I Structural Members, Specifications, & Codes AISC. 21.

(37) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. 3.2.. COLUMNAS Las columnas en una nave industrial se dimensionarán de acuerdo a las cargas axiales y. momentos flectores producidos principalmente por las cargas de levante del puente grúa. Puesto que la norma AISC recomienda no usar columnas con ménsulas (Figura 3-2 (a)), ya que para puentes grúa mayores a 50 kips (2.5 tonf) no es recomendable Usaremos una columna del tipo (b) de acero laminado, para que la viga carrilera se apoye directamente sobre la columna.. Figura 3-2 Tipo de columnas para puentes grúa 3. Incorporaremos un pre dimensionado para sistemas de Pórtico no arriostrados, basado en el criterio de columna fuerte viga débil; se obtienen los siguientes valores de relación entre el módulo plástico de la columna y el módulo plástico de la viga, basándonos en el tipo de columna recomendado por la norma AISC. 3. (Steel Design Guide 7, 2005). 22.

(38) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. Tabla 2: Relación entre modulo plástico de columnas y vigas. De la tabla manual of steel construction load & resistance factor design, structural members, specifications, & codes AISC hallamos el módulo de la viga W14x193, el cual tiene el valor 𝑍𝑥𝑏 = 355𝑖𝑛3. 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝐴𝑆𝑇𝑀 𝐴 − 36. 𝑍𝐶 = 1.25 𝑍𝑥𝑏 𝑍𝑐 = 1.25 ∗ 𝑍𝑥𝑏 → 𝑍𝑐 = 444.75𝑖𝑛3 Con este resultado podemos optar por una columna de W21 que cumpliría con el predimensionamiento, pero tememos un puente grúa de 60 ton la cual está apoyada en la columna esta distancia adicional dependerá de la viga carrilera. 23.

(39) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. Figura 3-4 Vigas carrilera apoyada en las columnas, fuente propia. Para poder determinar el peralte de la columna tenemos que sumar la dimensión de la viga carrilera que para una carga de 60 ton normalmente es de 30 cm, también se sumara la distancia reglamentaria que existe entre el alma de la viga carrilera y el borde inferior de la columna figura 3-3 que debe ser como mínimo entre 5 cm por norma H  21in  (30cm) *. 4. 1in 1in  5cm  34.7in 2.54cm 2.54 cm. Según los cálculos previos resulta un perfil W34 este perfil no existe en la tabla de perfiles del AISC, se ha optado por utilizar el perfil más secano inferior W33 que el perfil que existe en la norma AISC table manual of steel construction load & resistance factor design, structural members, specifications, & codes AISC. 4. AISE Technical Report N13. 24.

(40) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. Con este cambio nos veremos forzados elegir otro perfil para la columna secundaria que cumpla con el modulo plástico calculado Zc, elegiremos una columna secundaria de perfil W18 de un peso mayor a 190 klb para que cumpla con el modulo plástico requerido 3.3.. ARRIOSTRE El principal detalle a considerar con los arriostres es que deberán ser distribuidos de manera. simétrica en la estructura, distribuyendo adecuadamente las fuerzas sísmicas y evitar los efectos de torsión en la estructura. El perfil del arriostre trabajará ante cargas laterales, si este tiene un ángulo entre 30 y 60 grados, siendo el adecuado cercano a 45°, pero esto depende de la geometría de nuestra estructura Para la selección de un perfil adecuado para las diagonales se considera el efecto del pandeo total de la sección o esbeltez, con el fin de determinar el radio de giro adecuado que cumpla con este requisito 𝐾𝐿 𝐸 ≤4∗√ → 𝑟𝑚𝑖𝑛 𝐹𝑦. 𝑟𝑚𝑖𝑛 ≥. 𝐾𝐿 𝐹𝑦 ∗√ 4 𝐸. Se escogió un tipo de arrostramiento dispuesto en x de tal manera que trabajen adecuadamente arriostrando a los patines de las columnas, y también funcionarán para proveer de rigidez a la estructura ante cargas de impacto provenientes de los puentes grúa. Para los arriostres encubiertas (techos) se recomida usar la mitad del radio de giro obtenido para muros Para los arriostres considerados como libres en los extremos, se toma el factor de longitud efectiva K=1,00 longitud del arriostre aproximado 7.8m Se tiene que: -. rmin. radio de giro mínimo requerido. -. K = 1.0. Factor de longitud efectiva. -. L = 7.8. Longitud del arriostre 25.

(41) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. -. Fy = 2530 kg/cm2. Fluencia del acero A36. -. E = 2100000 kg/cm2. Módulo de elasticidad del acero A36. 𝑟𝑚𝑖𝑛 ≥. 𝐾𝐿 𝐹𝑦 1 ∗ 7.8 2530 ∗√ → 𝑟𝑚𝑖𝑛 ≥ ∗√ → 𝑟𝑚𝑖𝑛 = 0.067𝑚 4 𝐸 4 2100000. Los arriostres que mejor se comportan en este tipo de estructuras son los de canales opuestos y los tubos cuadrados. Para la nave industrial escogeremos un perfil cuadrado con un radio de giro mayor a 6.7cm, se ha visto por conveniente escoger un perfil TS 8x8 según la tabla de perfiles AISC, tiene un radio giro mayor de 7cm, y para los arriostres de techo escogeremos un perfil también cuadrado TS4x4. 3.4.. CORREAS Las correas son perfiles normalmente en “C” y son las más idóneos, ya que poseen un peso. liviano y tienen una resistencia ya que resisten esfuerzos de la cobertura que son carga de viento nieve cargas de techo, para el pre dimensionamiento nos basaremos en: libro Naves industriales con acero. Autor. Alfredo Arnedo Pena (2009), recomendaciones para el diseño de correas en cubiertas y muros de naves Para cubierta (techo): -. Correa de cubierta con perfil conformado en frío. L/30. -. Correa de cubierta con perfil laminado en caliente. L/40. Para las correas de fachada: -. Correa de fachada con perfil conformado en frío. L/35. -. Correa de fachada con perfil laminado en caliente. L/45. Las correas se colocarán en dirección Y ver figura 2-3; por tanto, tendrán una separación de 6 m. 26.

(42) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. Correas en cubiertas Correas en fachada. 𝐿/40 𝐿/45. →. 6/40 = 0.15 𝑚. →. 6/45 = 0.13 𝑚. Para las correas se recomienda perfiles C, para la nave elegiremos en cubiertas un perfil C6 y para la fachada C5. 3.5.. VIGA CARRILERA. La opción recomendada por la norma AISE es la utilización de una viga continua en tramos iguales, ya que producirá menos solicitaciones de momento y deflexiones, la viga carrilera luces de 6 m, para este pre-direccionamiento usaremos la tabla manual of steel construction load , tabla usada en el dimensionamiento de vigas de techo5 ℎ=. 𝐿𝑛 10. h: Peralte de la viga Ln: Luz libre de la viga. ℎ=. 6 → 0.6𝑚 ↔ 60𝑐𝑚 10. Se obtiene una viga con peralte de 60 cm que es 24 pulgas aproximadamente de peralte Tomando en cuenta las tablas de AISC, se puede considerar una viga W24 ya que cumple con el requisito que tomamos para pre dimensionar la columna bt =30cm; adicionalmente considera lo recomendado por la norma AISE 6, que indica que para una viga carrilera la sección más óptima está conformada por un perfil de sección W reforzada por un canal C, en este caso el perfil C seleccionado es MC12.. 5 6. Tabla 1 propuesto por el Ing. Gabriel Valencia Clement, basado en las normas ANSI/AISC Technical Report N13. 27.

(43) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. 4.. CAPITULO IV: METRADO DE CARGAS.. En este capítulo se desarrolla el metrado de las cargas que inciden en la nave industrial las cuales son cargas permanentes o cargas de gravedad, como también tenemos cargas variables, las cargas variables más conocidas son cargas de sismo y viento. Las cargas variables son esporádicas se presentan en determinado momento y depende de varios factores como la ubicación de la estructura, la velocidad del viento, capacidad del puente grúa. Las cargas de diseño se dividen en dos ramas, las cargas de gravedad o permanentes que conformar las fuerzas internas a la estructura; y las cargas variables o ambientales que provienen de fuerzas externas a la estructura. En las cargas variables que se presentan más a menudo son las de viento y de sismo, y son las que gobiernan el diseño de este tipo de estructuras metálicas; pero también se tendrá en cuenta el peso del puente grúa y la carga de levante. Las cargas que consideraremos son: -. Cargas de gravedad. -. Cargas de Viento. -. Cargas Sísmicas. -. Carga de Izaje. 4.1.. CARGAS DE GRAVEDAD Las cargas de naturaleza permanente llamadas también Cargas de gravedad son las que están. involucradas con el peso propio de la estructura, las cargas permanentes consideradas son: -. Carga Muerta. -. Carga Viva. 28.

(44) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. 4.1.1.. CARGA MUERTA. SELECCIÓN DE LA COBERTURA DE TECHO Carga Instalaciones en el techo: 10 kg/m2 Carga Viva según ASCE 7-10: 100kg/m2 Entonces la carga distribuida que soportará la cobertura de techo será: W=110 kg/m2 Se considera una cobertura del tipo TR-4, tablas del fabricante según la Carga de la Cobertura Metálica:. Tabla 3:Tabla de cargas; fuente: distribuidor Precor s.a.7 Asumiendo una Distancia entre correas de 1.75 m y un Cobertura metálica de e=0.5 mm Observamos que la cobertura soporta hasta un máximo de 133 kg/m² mayor que los 110 kg/m² aplicados en la nave. Carga por cobertura tipo TR-4 e=0.60mm Peso del panel = 5.26kg/m2. 7. www.precor.com.pe. 29.

(45) Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL. Como el ancho tributario por correa en el techo es 1.75m, se tiene una carga distribuida de 9.2kg/m La carga muerta considera todos los pesos propios de los perfiles y el peso de la cobertura, Se presenta a continuación todos los pesos de los materiales que componen la nave industrial: Carga de la cubierta Dcobertura = 9.2kg/m Carga por tensores para cubierta Dcub = 1.55 kg/m tensor 5/8". Carga por correas de cobertura Dcorrrea = 8.1 kg/m C6x18 Carga por correas de muros Dcorrrea = 7.1 kg/m C5x18 Carga por viga Dviga = 26.68 kg/m P2 w14x193 Carga por viga carrilera Dvig carr = 26.54 kg/m P2 w24x192 Carga por columnas tipo 1 Dcol 1 = 33.31 kg/m W33x241 Carga por columnas tipo 2 Dcol 2= 25.16 kg/m W18x192 Carga por arriostres Darri = 1.38 kg/mTS8x8. 30.