UNIVERSIDAD DE CUENCA

ANALISIS Y DISEO ESTRUCTURAL DE UNA NAVE INDUSTRIAL

Avecillas Javier Carchi lvaro Orellana Pablo

10 MO CICLO 1

25/06/2014

ANLISIS Y DISEO ESTRUCTURAL DE UNA NAVE INDUSTRIAL

1. INTRODUCCIN Y OBJETIVO DEL PROYECTO

La carrera de Ingeniera Civil tiene entre sus principales objetivos el preparar a los futuros

profesionales en el campo del diseo y anlisis de estructuras, aplicando y reconociendo

los conceptos de los factores que determinan la modelacin de un proyecto estructural a

travs del anlisis de las estructuras compuestas por diferentes materiales.

El objetivo de este trabajo se basa en la aplicacin de los conocimientos adquiridos

anteriormente en materias como Resistencia de Materiales, Estructuras, Hormign,

Estructuras de Acero, para de esta manera integrarlos en un proyecto real de una Nave

Industrial a ser diseada en un lugar con condiciones especficas. Se busca adems utilizar

un programa para el anlisis y comparacin de los efectos de las cargas sobre la

estructura.

A continuacin se presenta la memoria tcnica descriptiva correspondiente al clculo del

proyecto estructural denominado: Anlisis y Diseo Estructural de una Nave Industrial.

2. CARACTERSTICAS GENERALES DEL PROYECTO Y DESCRIPCIN GENERAL DE

LA OBRA

Se realiza el proyecto correspondiente a una estructura para una nave industrial. La

estructura se construir in-situ con hormign premezclado, en la Ciudad de Cuenca en

terreno llano y protegido.

A continuacin se presentan las principales caractersticas del proyecto:

La nave tendr intercolumnios de 6m y una luz de 12m.

Los elementos de cubierta, entrepiso y fachada sern de viga doble te.

El elemento principal ser la viga de seccin variable.

El puente gra tendr una capacidad de 8 toneladas.

El rea total ser de 30m x 18m y una altura hasta el asentamiento de las vigas

igual a 8.4m.

Se disean adems vigas para la losa que se encontrara en la parte trasera de la

nave, y su uso ser para oficinas.

Hormign de resistencia a la compresin fc=240 kg/cm2 y de peso especfico 2400

kg/m3. Acero con resistencia fy=4200 kg/cm2 y peso especfico 7850 kg/m3.

Las caractersticas del suelo se consideran con una capacidad portante 2.0 kg/cm2.

Para la realizacin de este trabajo se considera la Norma Ecuatoriana de la Construccin

(NEC-11) como cdigo general de construccin en el pas para la determinacin de

diferentes factores como las cargas y factores ssmicos, entre otros. Adems se ha

utilizado el programa SAP 2000 v15 para la modelacin de la estructura y la obtencin de

los momentos bajo las condiciones de carga planteadas.

La especificacin de las cargas y el anlisis se debe hacer bajo ciertas idealizaciones. Segn

la NEC, Captulo 1, se define seis tipos de carga: permanente o muerta (D), carga viva (L),

carga por viento (W), carga granizo(S), carga lluvia (R) y la carga ssmica (E).

COMBINACION DE CARGA

I. 1.4 D

II. 1.2 D + 1.6 L + 0.5 (L o S o R)

III. 1.2 D + 1.6 (L o S o R) + (L o 0.5W)

IV. 1.2 D + 1.0 W + L + 0.5 (L(L o S o R)

V. 1.2 D + 1.0 E + L + 0.2 S

VI. 0.9 D + 1.0 W

VII. 0.9 D + 1.0 E

Los clculos y dimensionamiento se han realizado utilizando una hoja electrnica (Excel

2013), basados en los valores obtenidos de la modelacin de la estructura en SAP 2000 y

los criterios de diseo planteados anteriormente.

Todos los clculos estructurales fueron realizados en base a de la Norma Ecuatoriana de la

Construccin (NEC 11) y del Cdigo ACI-318.

3. DESCRIPCIN DEL DISEO DE CADA ELEMENTO

El diseo debe empezar por el dimensionamiento de las cargas actuantes. Se considera

carga a toda fuerza o accin que resulta del peso de los materiales de construccin de la

edificacin, el peso y la actividad de sus ocupantes y sus pertenencias, efectos

ambientales y climticos, movimientos diferenciales, o restricciones a los cambios

dimensionales. Estos dimensionamientos de carga consideran factores de seguridad, es

decir factores que toman en cuenta las desviaciones entre la resistencia real y la

resistencia terica, las desviaciones entre la carga real y la carga nominal, y las

incertidumbres del anlisis en la transformacin de las cargas en solicitaciones, y del

modo de falla y sus consecuencias.

El primer factor a considerar sern las cargas en cubierta, los mismos que servirn para el

diseo de la losa doble te que se ubicar sobre la nave. Para el puente gra se deber

adems considerar una capacidad de ocho toneladas para soportar de manera puntual.

Las conexiones entre elementos se detallan en cada seccin. En sntesis la nave se ha

diseado empotrada y conformando un solo elemento con las zapatas. La losa superior se

encuentra sobre las vigas transversales y transmitiendo carga a las laterales, por tal

motivo se ha diseado una losa bidireccional. La viga del puente gra se encuentra unida

mediante una mnsula a la columna. Las vigas que soportan la losa de las oficinas en

cambio se han articulado a las columnas.

La resistencia requerida de los miembros estructurales y conexiones ser determinado

mediante anlisis estructural para las combinaciones de carga que corresponda. El diseo

estar basado en el principio que cuando la estructura es sometida a las combinaciones de

cargas apropiadas, ningn lmite aplicable, sea resistente o de servicio, ser excedido.

El diseo se basar de acuerdo a la siguiente ecuacin:

Donde:

=

= , .

= , .

= .

4. LOSA DOBLE TE

A continuacin se presenta la geometra bsica de la losa doble te a usar en el proyecto.

4.1. CARGA MUERTA (D)

La carga muerta consiste en los pesos de los diversos miembros estructurales, en el caso

de la cubierta se toma el peso de un recubrimiento de mortero de 5 cm de espesor.

Mediante el volumen, la densidad del hormign y las dimensiones de la longitud y ancho

de la losa obtenemos D en 102 kg/m2.

4.2. CARGA VIVA (L)

Segn la NEC, la carga en cubiertas inclinadas se debe tomar como carga uniforme igual a

71 kg/m2.

4.3. CARGA POR VIENTO (W)

Ya que la nave se encuentra en un lugar llano y protegido en la ciudad de Cuenca, en

donde los vientos no sobrepasan los 75km/h, se considera este valor, como referencia

(NEC) para el clculo de la W. La ecuacin (1) presenta la forma para calcular la presin

debida al viento. La tabla 1 indica los valores asumidos para el clculo.

Ec. (1)

Donde:

p 1.25 kg/m^3

Vb 21.0 m/s

Ce 1.0 No especifica

Cf 1.3 Barlovento

P 37.0 kg/m2

Tabla 1: Valores para la presin del viento

4.4. CARGA LLUVIA (R) Y CARGA GRANIZO (S)

Ya que la cubierta tendr una inclinacin que no permite el almacenamiento de agua, se

considera este valor igual a 0. Para la carga de granizo, la misma que se puede concentrar

en la cubierta se asume un espesor mximo de 10 cm, con un valor de 90 kg/m2.

4.5. CARGA SISMO (E)

La carga de sismo se desprecia ya que se considera una superficie horizontal.

Finalmente, estas combinaciones de carga sern introducidas en el programa SAP 2000

para luego generar una envolvente de cargas, la cual nos proporcionara las cargas ltimas

de diseo ms desfavorables.

5. DISEO DE LA VIGA PRINCIPAL

Considerando que la luz de la nave industrial en el diseo tiene dimensiones mayores a las

comunes en hormign armado, el peralte necesario para controlar las deflexiones resulta

demasiado grande. El peralte deber soportar las cargas actuantes y su peso propio, el

mismo que puede ser mayor a las primeras cargas. Por esta razn se considera una viga

de seccin variable diseada de tal manera que en el punto donde se concentra los

mayores esfuerzos el peralte sea mayor y disminuya el peso propio de la misma,

soportando as los esfuerzos resultantes por las cargas de una manera ms eficaz.

El diseo se realiza considerando una viga en I con una variacin lineal desde sus

extremos hasta su peralte mximo en el medio. En los extremos se ha garantizado una

seccin maciza puesto que se necesita que la viga resista la fuerza cortante que acta en

este punto. El diseo para la viga se realiza a fluencia garantizando que el rea a

compresin est nicamente en el patn superior. El acero se colocara en toda la seccin

como si indica en el plano anexo para garantizar el mejor funcionamiento alma-patn.

6. DISEO DE LA LOSA

7. DISEO DE VIGAS SECUNDARIAS

8. DISEO DE LA MNSULA

Las mnsulas son estructuras en voladizo que tienden a actuar ms en cortante que como

vigas a flexin. Para el procedimiento de diseo de las mnsulas se reconoce su

comportamiento como viga de gran altura. Se debe impedir adems los cuatro modos de

falla potenciales como el corte directo en la interface entre la mnsula y el elemento que

se apoya, la fluencia de la armadura traccionada, el aplastamiento de la biela comprimida

interna y la falla localizada por aplastamiento o por corte debajo el rea cargada. Las

mnsulas diseadas en este proyecto sern de tipo cortas y soportarn la viga gra

simplemente apoyada.

Los parmetros de diseo se basan en la seccin 11.8 del ACI 318-08: Disposiciones

especiales para mnsulas y cartelas. Se considera adems una cantidad mnima de

refuerzo para evitar la posibilidad de falla sbita en caso de fisura. El comportamiento de

las mnsulas de hormign se encuentra controlado principalmente por la resistencia al

corte. Los elementos principales de diseo de la mnsula son la distancia en voladizo y la

altura til de la pieza, como se detallan en los planos Anexos.

La seccin crtica para el diseo de las mnsulas se toma en la cara del apoyo, la misma

que resistir simultneamente un esfuerzo de corte, un momento y una fuerza de traccin

horizontal.

9. DISEO DE LAS COLUMNAS

Una columna es un miembro estructural cuya funcin principal es resistir carga axial de

compresin. Debido a la altura que presentan las columnas de diseo se deber

considerar adems la esbeltez de la misma, es decir el efecto de la longitud.

Las cargas y momentos de diseo para todas las columnas se han dimensionado

utilizando el software descrito anteriormente bajo una combinacin de cargas de servicio

y para la mayor envolvente.

Al estar sometidas las columnas a flexo compresin, su diseo se realiza en base a los

diagramas de iteracin unidireccional. Estos diagramas representan en el eje vertical las

cargas axiales resistentes y en el eje horizontal representa los momentos flectores

resistentes. Por lo tanto la relacin entre el momento y las cargas axiales, considerando el

mayor de estos medidos con relacin a un eje principal centroidal de la seccin transversal

de la columna (excentricidad). Cualquier punto que se encuentre fuera de la curva

determinara que la seccin transversal es incapaz de resistir las especificaciones

solicitadas.

No se considera el factor de reduccin de capacidad (), solamente se manejan cargas

axiales y momentos flectores. En las zonas ssmicas como la de nuestra zona de diseo,

usualmente las fuerzas axiales son las que gobiernan el diseo de las columnas, a pesar de

la importancia en la relacin del momento-excentricidad. Se debe considerar adems

utilizar armadura simtrica por el efecto de reversibilidad de los sismos.

Es importante saber que la presencia de grandes cargas axiales disminuye

considerablemente la capacidad resistente a la flexin de las columnas.

A partir de los fundamentos presentados por el captulo 4 del NEC, las secciones en los

extremos de las columnas sern diseadas para la combinacin ms desfavorable de

momentos (en ambas direcciones horizontales) y carga axial.

Mediante el captulo 21 del ACI 318, Estructuras Sismo Resistentes se toman los

parmetros y requerimientos para las conexiones viga-columna.

10. DISEO DE LAS ZAPATAS

Antes de realizar la construccin de las zapatas y su diseo se debe verificar las

condiciones del suelo para la cimentacin, conocer la compactacin y humedad

apropiada, adems determinar la profundidad de excavacin idnea. De ser necesario se

coloca un replantillo con hormign de 140 kg/cm2 con espesor de 15 a 20 cm (NEC,

capitulo 4).

La cimentacin superficial utilizada, zapata, consiste en un prisma de concreto situado

bajo cada columna de la nave. El diseo de las zapatas se realiza para transmitir la carga

de la estructura hacia el suelo portante. El diseo se lo hizo a flexin como elemento

principal de diseo. La zapata es monoltica con la columna y se opta por disear zapatas

aisladas, cuadradas y centradas. El diseo a flexin de la zapata es a fluencia y deber

soportar el punzonamiento de la columna, se ha realizado utilizando los criterios

presentados en el captulo 4 del NEC. El dimensionamiento de las zapatas se comprueba

mediante la capacidad portante del hundimiento y del estado de equilibrio (deslizamiento

y vuelco).

Los detalles de las zapatas se encuentran en el plano correspondiente en el Anexo, la

profundidad de las zapatas se encuentra a 1.2 m. La capacidad portante del suelo es de 2

kg/cm2 y un factor de seguridad igual a 3.

11. ANEXOS