FACULTAD DE MECÁNICA

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

TRABAJO DE:

ESTRUCTURAS METALICAS

TEMA: “Diseño de marquesina de una gasolinera”

NOMBRES:

Freire Pablo……………….

Yuquilema Byron…………..

NIVEL: Noveno

Fecha de entrega: 2010-06-08

RIOBAMBA – ECUADOR

1. TEMA

Diseño de una estructura metálica (marquesina de una gasolinera)

2. UBICACIÓN

Riobamba, Avenida de la circunvalación

3. OBJETIVOS

Objetivo General

Verificar una estructura metálica que funcionara como la marquesina de una gasolinera utilizando el software “SAP 2000 versión 12”

Objetivos Específicos

Emplear los conocimientos adquiridos en la cátedra de Estructuras Metálicas para realizar la verificación de una estructura metálica y proponer un nuevo diseño o de nuevos elementos estructurales.

Realizar un análisis de costos del proyecto. Determinar que combinación de cargas es más peligrosa.

4. JUSTIFICACIÓN

El presente proyecto busca proporcionar comodidad y seguridad a las personas que hacen uso de la gasolinera. Debido a que se realizara la verificación de la estructura para que no llegue a fallar debido a las cargas ambientales como son a lluvia, granizo y principalmente de la carga provocada por la acumulación de la ceniza, debido a que en los últimos días la caída de ceniza es muy inminente y con una gran intensidad.

Si la estructura no pasa la verificación se propondrá un nuevo diseño ó nuevos perfiles que satisfagan los requerimientos de seguridad. Para garantizar su funcionamiento adecuado.

5. DESARROLLO

Datos

El modelo a realizarse es un modelo típico de Pórtico que se muestra en la Fig. 1 y que además cuenta con los siguientes datos:

Área Total Cubierta (m2) = 220 Luz (m) = 8

Fig. 2. Estructura a realizar en este proyectoVista lateral

Fig. 1. Estructura a realizar en este proyectoVista frontal

ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA

Se procedió a realizar el análisis por partes:

Techo N° 01

Techo N° 02

TECHO N° 01

a) Determinación de cargas sin considerar el peso de las correas

Muerta

Para esta estructura se ha seleccionado de [2] un Steel Panel AR2, con las siguientes características:

Espesor: 0.50 mmAncho: 760mm =76Cm = 0.76 m

Peso: 5.36

Kg

m2

Separación entre apoyos. 2.10 m

Por lo tanto la carga muerta debido a la cubierta es de DCUBIERTA=5.36

Kg

m2

Esta carga muerta generará un Momento Máximo en las correa y se lo calcula con la siguiente ecuación:

Mmax 1=S∗b∗a2

8

Fig. 3. Estructura a realizar en este proyectoVista de planta

Donde S es el peso, b es la distancia entre correas, y a es la distancia entre pórticos; es así que se obtiene lo siguiente:

Mmax1=5.36∗2 .1∗22

8Mmax 1=5 .628Kgm

Viva

Para este tipo de carga he considerado la ceniza, lluvia y granizo que muy concurrentes en la ciudad de Riobamba.

Ceniza

La densidad de la ceniza es de ρ=0 .00152113 Kg

cm3

Por lo tanto:

lCENIZA=0 .00152113Kg

cm3∗Hacumulación∗b

la acumulación de ceniza en Rbba tiene un valor promedio de 1 cm en la última explosión del Volcán Tungurahua, y el valor de b es la distancia entre correas.

lCENIZA=0 .00152113Kg

cm3∗1cm∗210cm

lCENIZA=0 .32Kgcm

I ceniza=32Kgm

Lluvia

De igual manera la carga por lluvia se obtiene de un valor de 1.5 a 2

Kg

m2 , siempre y cuando el techo sea un Steel Panel. Debido a que es una carga por impacto

lLLUVIA=1.75Kg

m2∗b

lLLUVIA=0 .0368Kgcm

lLLUVIA=3.68Kgm

Granizo

Para determinar la carga nos ayudamos de la densidad del agua, así como de la acumulación.

lGRANIZO=1000Kg

m3∗Hacumulación∗b

lGRANIZO=1000Kg

m3∗0 .025m∗2 .1m

lGRANIZO=0 .525Kgcm

Por lo tanto la carga viva total es de:

l=0 .32 Kgcm

+0 .0368 Kgcm

+0.525 Kgcm

l=0 .8818 Kgcm

Esta carga va ha ser distribuida en las correas por lo que es necesario determinar el momento máximo que genera con la siguiente ecuación:

Mmax 2=q∗a2

8

Mmax 2=0 .8818∗2002

8

Mmax2=44 .09Kgm

Además se ha considerado una carga viva de una persona de 75 Kg. esta generará un momento máximo de:

Mmax3=150Kgm

Entonces tanto la carga muerta como la carga viva nos ayudarán a determinar la correa adecuada, para soportar la carga existente:

Mmax=Mmax 1+Mmax 2+Mmax3

Mmax=5 .628 .kgm+44 .09Kgm+150Kgm

Mmax=199 .718Kgm=19971 .8Kgcm

b) Selección de Correas [1]Primero seleccionamos el acero que vamos a utilizar de la siguiente tabla y tomamos los datos que sean necesarios:

El acero que vamos a utilizar es un IPAC ASTM A36 con un límite a la fluencia de

Fy=2551 .02 Kgcm2

Es necesario determinar el esfuerzo admisible a flexión Fb con la siguiente fórmula:

Fb=0.6∗Fy∗Qs

Donde Qs toma un valor asumido de 0.85 hasta determinar el real una vez que se haya determinado la correa

Fb=0.6∗2551.02∗0 .85

Fb=1301 .02 Kgcm2

Es necesario determinar el módulo resistente para obtener una correa que sea resistente a las cargas antes calculadas

fb=MmaxWreq

≤Fb

Wreq≥MmaxFb

Wreq≥19971 .8Kgcm

1301 .02Kg

cm2

Wreq≥15 .35 cm3

Entonces en el [1] buscamos un perfil cuyo módulo resistente sea mayor a 32.54 cm^3.He seleccionado un perfil CU 100X50X3 cuyo modulo resistente es de 17.70 cm ^3.Con los datos proporcionados de este perfil procedemos a determinar el verdadero valor de Qs.

Peso de la correa = 26.88kg/6m = 4.48 kg/m b = 5 cmt = 0.3 cm

Fig. 4. Propiedades del acero. [1]

h =10 cmbt= 50 .3 =16.66

ht=100.3 =33.33

Condiciones (a):

Si

ht ≤ 70 Kc= 1

Si

ht > 70 Kc =

4 .05

( ht )0.46

Por lo tanto Kc = 1

Condiciones (b):

Si

796

√ FyKc≤bt≤1635

√ FyKc entonces Qs=1 .293−0 .000368( bt )√ FyKc

Si

bt≥1635

√ FyKc entonces

Qs=1842475∗Kc

Fy∗( bt )2

Si

bt≤796

√ FyKc entonces Qs=1

Limite 1:

796

√ FyKc=796

√2551 .02 =15.75

Limite 2:

1635

√ FyKc=1635

√2551 .02 =32.37

Como cumple con la condición

796

√ FyKc≤bt≤1635

√ FyKc entonces:

Qs=1 .293−0 .000368( bt )√ FyKc

Qs=1 .293−0 .000368( 50 .3 )√2551.021

Qs=0.9832

Entonces de esta manera corregimos el valor del esfuerzo admisible a flexión:

Fb=0.6∗Fy∗QsFb=0.6∗2551.02∗0 .9832

Fb=1504 .90 Kgcm2

Corrección del Momento máximo

Al momento máximo calculado anteriormente no se consideró la carga debido al peso de las correas, de manera que este no es el momento real, para corregirlo sumamos al momento anterior el momento por el peso de las correas seleccionadas:

Mmax=42341kgcm+Mcorreas

Mmax=19971 .8kgcm+4 .48

Kgm

∗(2m)2

8

Mmax=20195 .8Kgcm

Por lo tanto el nuevo valor del módulo resistente es:

fb=MmaxWreq

≤Fb

Wreq=20195 .81504 .90

Wreq=13 .5Cm3

Como el módulo resistente para el perfil (Wx=17 .70cm3) seleccionado es mayor al

valor corregido, esta correa es aceptable.

c) Determinación del número de correas a utilizar

El número de correas se determina de la siguiente manera:

Nº correas= LuzDis tan ciamin imaentrecorreas

Nº correas= 4m2 .10m

Nº correas=1

Se considera asumir un número de correas de 3

Longitud total de la correas = 10*3*2=60 m

El peso de las correas es de =4.48

Kgm

∗60m=268.8Kg

1. Carga Muerta

Correas

DCORREAS=268 .8Kg

80m2

DCORREAS=3 .35Kg

m2

Pórticos

DPORTICOS=8Kg

m2

Otros

Lámparas

Para 6 lámparas, con un peso cada una de 8 kg, tenemos:

DLAMPARAS=48Kg

175 .96m2

DLAMPARAS=0 .27Kg

m2

Varios

DVARIOS=10Kg

m2

Por lo tanto la carga distribuida a los pórticos es:

DTOTAL=27 .06Kg

m2

d=D∗a

d=27 .06∗5 Kgm

d=1.35 Kgcm

TECHO N° 02

a) Determinación de cargas sin considerar el peso de las correas

Muerta

Para esta estructura se ha seleccionado de, con las siguientes características:Material a utilizarse: Policarbonato Compacto

Espesor: 1,1 mmAnchura: 1.265 m Longitud: 6 mPeso: 1.50 kg/m2

La geometría del techo de la gasolinera es:

Pero para motivos de cálculo utilizaremos la siguiente geometría para el cálculo de las correas:

Por lo tanto la carga muerta debido a la cubierta es de:

Carga Muerta: = Peso * espacio transversal:= 1.50 kg/m2 * 2 m = 3 kg/m= 0.03 kg/cm

Viva

Para este tipo de carga he considerado la ceniza, lluvia y granizo que muy concurrentes en la ciudad de Riobamba.

Ceniza

La densidad de la ceniza es de

Por lo tanto:

la acumulación de ceniza en Rbba tiene un valor promedio de 1 cm en la última explosión del Volcán Tungurahua, y el valor de b es la distancia entre correas.

Lluvia

De igual manera la carga por lluvia se obtiene de un valor de 1.5 a 2 kg/m2, ya que el policarbonato absorbe carga por impacto

Granizo

Para determinar la carga nos ayudamos de la densidad del agua, así como de la acumulación.

CARGA VIVA TOTAL:Por lo tanto la carga viva total es de:

l=32 Kgm

+3 .68 Kgcm

+50 Kgm

l=85 .68 Kgm

CARGA TOTAL:q= 0.8568 kg/cm + 0.03 kg / cmq= 0.89 kg / cm

MOMENTO MÁXIMO:

Solamente se considerará la carga total (no se añadirá el peso de una persona) ya que la instalación no requiere de personal sobre el policarbonato:

q= 0.89 kg / cm

b) Selección de Correas [1]Primero seleccionamos el acero que vamos a utilizar de la siguiente tabla y tomamos

Por lo tanto: Mmax= 0.89*100^2 / 16 = 556.5 kg / cm

El acero que vamos a utilizar es un DIPAC ASTM A36 con un límite a la fluencia de

Fy=2551 .02 Kgcm2

Es necesario determinar el esfuerzo admisible a flexión Fb con la siguiente fórmula:

Fb=0.6∗Fy∗Qs

Donde Qs toma un valor asumido de 0.85 hasta determinar el real una vez que se haya determinado la correa

Fb=0.6∗2551.02∗0 .85

Fb=1301 .02 Kgcm2

Es necesario determinar el módulo resistente para obtener una correa que sea resistente a las cargas antes calculadas

fb=MmaxWreq

≤Fb

Wreq≥MmaxFb

Wreq≥556 .5Kgcm

1301 .02Kg

cm2

Wreq≥0 .427cm3

Entonces en el [1] buscamos un perfil cuyo módulo resistente sea mayor a 0.427cm^3.

He seleccionado un perfil redondo Diám. Ext 1 1/2 cuyo modulo resistente es de 1.52 cm ^3.Con los datos proporcionados de este perfil procedemos a determinar el verdadero valor de Qs.

Peso de la correa = 8.46kg/6m = 1.41 kg/m D= 38.10 mmT =1.50

Limite 1:

Limite 2:

Por lo tanto se encuentra dentro de los límites de sección compacta

Entonces de esta manera corregimos el valor del esfuerzo admisible a flexión:

Fb=0.6∗Fy∗QsFb=0.6∗2551.02∗1

Fb=1530 .61 Kgcm2

Corrección del Momento máximo

Al momento máximo calculado anteriormente no se consideró la carga debido al peso de las correas, de manera que este no es el momento real, para corregirlo sumamos al momento anterior el momento por el peso de las correas seleccionadas:

Mmax=556 kgcm+Mcorreas

Mmax=556 .5kgcm+1.41

Kgm

∗(1m)2

8

Mmax=556 .67Kgcm

Por lo tanto el nuevo valor del módulo resistente es:

fb=MmaxWreq

≤Fb

Wreq=556 .671530 .61

Wreq=0 .363Cm3

Como el módulo resistente para el perfil (Wx=1 .52cm3) seleccionado es mayor al

valor corregido, esta correa es aceptable.

c) Determinación del número de correas a utilizar

El número de correas se determina de la siguiente manera:

Se considera asumir un número de correas de 2

Longitud total de la correas = 10m *2 correas*2lados =40 m

El peso de las correas es de =1.41

Kgm

∗40m=56.4Kg

2. Carga Muerta

Correas

DCORREAS=268 .8Kg

80m2

DCORREAS=3 .36Kg

m2

Pórticos

DPORTICOS=8Kg

m2

Por lo tanto la carga distribuida a los pórticos es:

DTOTAL=27 .06Kg

m2

d=D∗a

d=27 .06∗5 Kgm

d=1.35 Kgcm

3. Carga de Viento

La estructura está situada en un área urbana y rodeada de edificios y casas, en la dirección del viento hay casas de mediana altura que protege a la estructura, por tanto se considera una exposición tipo B.

Según el UBC tenemos que la carga de viento (presión de diseño) está dada por:

Pviento=Ce∗Cq∗qs∗Iw

Ce se lo puede ubicar en la Tabla 16-G de [1], con el valor de la altura de 17.59 ft, por lo tanto el valor de Ce es de:

Ce = 0.65

Iw se la puede considerar como una estructura típica, entonces es igual a 1.

El valor de qs está dado por la ecuación:

Según la estación Guaslan la más cercana a Rbba, la velocidad del viento es de:

Vmáx=36Kmh

Entonces es conveniente asumir una velocidad de diseño mayor a la de la estación siendo esta de:

V DISEÑO=70Kmh

=44mph

qw=0 .00256 .(44 )2=4 .96 psf=0 .00242 Kg

m2

Por tanto la presión de diseño es:

pW=0 .65∗0 .00242Cq∗1

22.00256.0ft

lbVqw

pW=0 .315∗Cq [ Kgcm2 ]De esta manera en la Tabla 16-H se puede determinar los valores de Cq para las paredes de sotavento, barlovento y techo con una tasas de 33%.

Cq pwWindward roof 0.9 outward-0.3 inward 0.283-0.0945Leeward roof 0.7 outward 0.2205

Estos valores provocan dos estados de carga debido al viento que se muestran a continuación:

TECHO 1Estado 1 (Para techo 1 Ambos lados)

Estado 2

TECHO 1

Estado 1 (Para techo 1 Ambos lados)

Estado 2

4. Carga de Sismo

Este tipo de carga esta definida por el valor del cortante basal:

Z, depende de la zona sísmica en la que se encuentra ubicada Rbba, que según Tabla 1 del Código Ecuatoriano para la construcción, nos ubica a en la zona IV, dando un valor de Z = 0.4

I es el factor de importancia de la estructura que en este caso debido a su utilización (como Garaje o Estacionamiento) es de I = 1

El valor de C está dado por la ecuación:.

El valor S depende del Tipo de Suelo, como en este caso es un suelo intermedio S = 1.2 y Cm = 3.

Según el Código citado anteriormente Ct = 0.09 para pórticos de acero y hn= 8 m, esta es la altura total de la estructura.

WR

CIZV

ep

m

S

CT

SC

25.1

43)( nt hCT

T=0 .09∗(5 .36 )34

T=0 .31

Por tanto:

C=1.25∗(1.2 )1.2

0 .31

C=4 .09En vista de que el valor de C no debe sobrepasar de 3, asumimos un valor máximo de 3.

Φp = 1 porque la estructura es regular en la planta.Φe = 1 porque la estructura es regular en la elevación.R según la Tabla 7 del Código INEN para la Construcción de 7, para una estructura de acero.

V=0 .4∗1∗31∗1∗7

∗D

V=0.17∗D

Esto indica que la el sismo provoca un carga basal del 17 % de la carga muerta.