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ESTRUCTURAS METLICAS
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DISEO DE CERCHA METLICA PARA TINGLADO
1.- MARCO TEORICO
1.1. Objetivo
Objetivo General
El objetivo el diseo de una estructura metlica segn las especificaciones LRFD-
AISC con las caractersticas geomtricas predeterminadas.
Objetivos Especficos
Realizar el diseo geomtrico y el clculo de la cubierta, es decir, calcular los
esfuerzos en cada una de las barras del prtico y las secciones para cada tramo
en funcin a las solicitaciones ms crticas que comprenden las correas, el
arriostra miento, las placas de apoyo, las conexiones rgidas de esquina, las
fundaciones y los pernos de anclaje.
Realizar el Anlisis de Cargas que inciden en la estructura tomando en cuenta la
norma LRFD
1.2 Introduccin
En Bolivia el uso de perfiles metlicos ha ido creciendo de igual manera, pero por
la falta de empresas productoras de este material, la materia prima llega en
planchas, las cuales son dobladas en frio y poseen varias secciones. Pero por
este mismo hecho el precio de importacin de este material es elevado, por lo que
no se usa para la construccin de estructuras grandes como edificios. En el
presente proyecto se usar el acero, para el diseo y la construccin de la
estructura del tinglado.
1.3 Justificacin
El presente proyecto se realizara principalmente el clculo de marcos rgidos
metlicos de grandes dimensiones que constituirn un tinglado para uso industrial,
tomando en cuenta las caractersticas de la Ciudad de El Alto donde se proyecta
la obra.
ESTRUCTURAS METLICAS
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El trmino marco rgido se aplica comnmente a un tipo particular de estructuras
consistentes de miembros verticales y horizontales unidos rgidamente en sus
intersecciones, marco en el que se calculan los efectos de continuidad y en el que
se desarrolla un diseo balanceado, tomando en consideracin los momentos
flectores y fuerzas que resultan de esta continuidad.
1.4 Macro localizacin
El Presente proyecto ser construido en la Ciudad de el Alto donde las
condiciones atmosfricas marcadas, si bien las nevadas no son frecuentes cuando
se producen tienen una altura media de h = 0.4 m.
Los vientos son bastantes intensos con una velocidad promedio de 80 km / h. La
combinacin de carga muerta ms carga de nieve es la condicin que
principalmente rige el diseo.
1.5 Micro localizacin
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1.6 Metodologa
a) Para el clculo de los de las solicitaciones, y el dimensionamiento de los
elementos del galpn en estudio, para lo cual se deber seguir la siguiente
metodologa:
- Determinacin de los prticos y elementos a dimensionar
- Determinacin de todas las cargas que inciden en el prtico en estudio.
- Determinacin de los estados de carga segn las norma LRFD para cada
uno de los prtico en estudio.
- Calculo de las solicitaciones de los prticos, determinndose los diagramas
de Momentos, Cortes y Normales en cada uno de los elementos de la
estructura para cada estado de carga.
- Dimensionamiento de todos los elementos que componen la estructura.
- Diseo de las uniones
- Diseo de las placas de apoyo
Las especificaciones tienen el propsito de proteger y dar seguridad y no as
restringir al ingeniero, las normas que se utilizaron en el presente proyecto son:
- Norma: LRFD AISC.
El diseo estructural en acero como en cualquier material dctil se basa en
deformaciones permanentes y en estado limite.
El mtodo de LRFD (Load and Resstanse Factor Design) es aplicado durante las
dos ltimas dcadas que es un procedimiento ms racional, basados en
conceptos de probabilidades y denominados ESTADOS LIMITES. Los estados
lmites se dividen en dos categoras:
RESISTENCIA
Que tiene que ver con el comportamiento para mxima resistencia, ductilidad,
pandeo, fatiga, fractura por volteo deslizamiento.
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Para el dimensionamiento de la estructura se pueden distinguir los siguientes
prticos y elementos.
2.- ANALISIS DE CARGAS
2.1 Anlisis de Cargas
Geometra Del Prtico
Se construir un tinglado con las siguientes caractersticas:
Longitud [L] : 26.00 [m]
Profundidad [P] : 12.0 [m]
Altura [H] : 2 [m]
Espaciamiento [e] : 2.54 [m]
Angulo de Inclinacin [a] : 10.98
Descripcin y Ubicacin
El Presente Trabajo consiste en disear un tinglado metlico el cual tendr un
funcionamiento de almacn con una seccin de 26.00m 12.0m.
La Cubierta del techo ser de calamina Trapezoidal CIMAG No 28
La Estructura estar constituida de 4 prticos metlicos con una separacin de
5.5m de eje a eje, dicha estructura estar arriostrada y se utilizaran perfiles
comerciales.
Las columnas estarn unidas a las fundaciones por medio de pernos de anclaje
colocados en placas de base previamente calculada.
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Materiales
Acero estructural A36
FY= 2530 [Kg/cm^2]
Mdulo de Elasticidad: 2.10E5
Calamina No 28
Peso = 10 [Kg/m2]
L = 2 [m]
Ancho = 0.80 [m]
CALAMINA N 28
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COSTANERAS 100X50X2
Cargas
Una de las tareas ms importantes del proyectista es determinar de la manera
ms precisa posible el valor de las cargas que soportar la estructura durante su
vida til, as como su posicin y tambin determinar las combinaciones ms
desfavorables que de acuerdo a los reglamentos pueda presentarse.
Los tipos de cargas son:
Cargas muertas
Cargas vivas
Cargas accidentales
Cargas muertas:
Son aquellas cuya magnitud y posicin, permanecen prcticamente constantes
durante la vida til de la estructura.
Peso propio.
Instalaciones.
Empujes de rellenos definitivos.
Cargas debidas a deformaciones permanentes.
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Cargas Vivas:
Son cargas variables en magnitud y posicin debidas al funcionamiento propio de
la estructura.
Personal.
Mobiliario.
Empujes de cargas de almacenes.
Estas cargas se especifican como uniformemente repartidas por unidad de rea
en el ANSI y otros cdigos como el RCDF-87 ttulo 6.
Cargas vivas mximas para diseo por carga gravitacional (combinacin comn).
Cargas vivas medias para diseo por estado lmite de servicio.
Cargas vivas instantneas para diseo por combinacin accidental.
La vida til de una estructura es de aproximadamente 50 aos.
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Sismo
Por la ubicacin en la que se construir la estructura esta carga no ser
considerada
Sobrecarga
Se considera una carga de 100 kg/m2, esta sobrecarga se debe al mantenimiento
que vaya a tener el galpn.
Carga de nieve
La carga de nieve sobre una superficie horizontal se reparte de manera distribuida,
as que si se tiene la altura a la que llega a acumularse, con el peso especfico, se
tendr la carga con la que llega a actuar, se tienen los siguientes pesos
especficos:
Nieve recin cada 120 kg/m3
Nieve prensada o empapada 200 kg/m3
Nieve mezclada con granizo 400 kg/m3
Considerando una altura de nieve de h= 0.25
Se har uso de la nieve mezclada con granizo, as que se tiene:
Carga de nieve = altura de nieve x peso especifico
Carga de nieve = 0.25 x 400
Carga de nieve = 100 kg/m2 = 0.1 ton/m2
Viento:
Estas cargas dependen de la ubicacin de la estructura, de su altura, del rea
expuesta y de la posicin. Las cargas de viento se manifiestan como presiones y
succiones.
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En general ni se especifican normas de diseo para el efecto de huracanes o
tornados, debido a que se considera incosteable el diseo contra estos efectos;
sin embargo, se sabe que el detallado cuidadoso del refuerzo, y la unin de
refuerzos en los sistemas de piso con muros mejora notablemente su
comportamiento.
Se admite que el viento, en general, acta horizontalmente y en cualquier
direccin. Se considerar en cada caso la direccin o direcciones que produzcan
las acciones ms desfavorables.
Las estructuras se estudiarn ordinariamente bajo la actuacin del viento en
direccin a sus ejes principales y en ambos sentidos.
El viento de velocidad v (m/s) produce una presin dinmica w (kg./m2) en los
puntos donde su velocidad se anula, de valor:
Convirtiendo unidades:
s
m
h
KmV 22.2280
Segn el LRFD tenemos:
22
2
2
0.3186.30
16
22.22
16
m
Kg
m
Kgw
s
m
vw
CARGAS Kg/m2 kg/m2
MUERTA
CALAMINA 10
35 LUMINARIA 25
VIVA MANTENIMENTO 100 100
NIEVE NIEVE / GRANIZO 400 100
VIENTO BAROVENTO 6,17 6.17
SOTAVENTO -12,35 6.17
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2.2. DETERMINACION DE COMBINACIONES
CARGA MUERTA
ANCHO TRIBUTARIO
(m) CARGA MUERTA
e1 0.5 17.50 kg/m
e2 1 35.00 kg/m
e3 0.88 30.80 kg/m
e4 0.77 26.95 kg/m
e5 0.82 28.70 kg/m
e6 0.88 30.80 kg/m
e7 0.91 31.85 kg/m
e8 0.93 32.55 kg/m
e9 0.65 22.75 kg/m
CARGA VIVA
ANCHO TRIBUTARIO
(m) CARGA VIVA
e1 0.5 50.00 kg/m
e2 1 100.00 kg/m
e3 0.88 88.00 kg/m
e4 0.77 77.00 kg/m
e5 0.82 82.00 kg/m
e6 0.88 88.00 kg/m
e7 0.91 91.00 kg/m
e8 0.93 93.00 kg/m
e9 0.65 65.00 kg/m
CARGA DE NIEVE
ANCHO TRIBUTARIO
(m) CARGA VIVA
e1 0.5 50.00 kg/m
e2 1 100.00 kg/m
e3 0.88 88.00 kg/m
e4 0.77 77.00 kg/m
e5 0.82 82.00 kg/m
e6 0.88 88.00 kg/m
e7 0.91 91.00 kg/m
e8 0.93 93.00 kg/m
e9 0.65 65.00 kg/m
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CARGA DE VIENTO
Situacin ngulo de
incidencia del viento
COEFICIENTE ELICO EN:
Superficie Plana
Superficies curvas
rugosas
Superficies curvas muy
lisas
A
Barlovent
o
C1
A
Sotavento
C2
A
Barlovento
C3
A
Sotavento
C4
A
Barlovento
C5
A
Sotavento
C6
En remanso 90-0
En corriente
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
+0.8
+0.8
+0.8
+0.8
+0.8
+0.6
+0.4
+0.2
0
-0.2
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
+0.8
+0.8
+0.8
+0.8
+0.4
0
-0.4
-0.8
-0.8
-0.8
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
+0.8
+0.8
+0.8
+0.4
0
-0.4
-0.8
-1.2
-1.6
-2.0
-2.0
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-2.0
-2.0
-2.0
ESTRUCTURAS METLICAS
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Usando la tabla de coeficiente para valores de Barlovento y Sotavento, tenemos.
BARLOVENTO
Para esta parte tenemos C1 = -0.2 y con este coeficiente calculamos la carga para
barlovento
ANCHO TRIBUTARIO
(m) BARLOVENTO
e1 0.5 -3.09 kg/m
e2 1 -6.17 kg/m
e3 0.88 -5.43 kg/m
e4 0.77 -4.75 kg/m
e5 0.82 -5.06 kg/m
e6 0.88 -5.43 kg/m
e7 0.91 -5.62 kg/m
e8 0.93 -5.74 kg/m
e9 0.65 -4.01 kg/m
SOTAVENTO
Para esta parte tenemos C2 = -0.4 y con este coeficiente calculamos la carga para
barlovento
ANCHO TRIBUTARIO
(m) SOTAVENTO
e1 0.5 -6.17 kg/m
e2 1 -12.35 kg/m
e3 0.88 -10.86 kg/m
e4 0.77 -9.51 kg/m
e5 0.82 -10.12 kg/m
e6 0.88 -10.86 kg/m
e7 0.91 -11.23 kg/m
e8 0.93 -11.48 kg/m
e9 0.65 -8.02 kg/m
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2.2 DETERMINACIN DE ESFUERZOS A TRACCIN Y COMPRESIN
TABLE: Element Forces - Frames
Frame Station StepType P
Text m Text Kgf
1 1,8598 Min -1354,04
2 0,75 Min -1838,23
3 1 Min -2510,22
4 1 Min -2454,35
5 0,375 Min -1838,24
6 1,8598 Min -1354,04
7 0,94724 Max 1397,29
8 0,76398 Max 1380,29
13 0,35 Max 5359,56
20 0 Min -521,19
21 0,12983 Max 1832,86
22 0 Min -510,35
23 0,88882 Max 1870,19
26 0 Max 1839,95
27 0,88882 Max 1877,64
29 0,11696 Max 666,76
30 0,78471 Max 699,89
31 0,23391 Max 720,77
32 0,39236 Max 752,51
43 0 Min -746,48
44 1,01863 Max 2371,42
45 1,01863 Max 5103,71
46 1,01863 Max 7469,99
47 0 Max 9470,78
48 1,01863 Max 11114,48
49 1,01863 Max 12392,68
50 1,01863 Max 13308,19
51 1,01863 Max 13861,01
53 0,27513 Min -692,03
54 1,01863 Max 2419,15
55 1,01863 Max 5145,47
ESTRUCTURAS METLICAS
14
56 1,01863 Max 7505,79
57 1,01863 Max 9503,41
58 1,01863 Max 11138,34
59 1,01863 Max 12410,58
60 1,01863 Max 13320,12
61 1,01863 Max 13866,97
62 1,01863 Max 14032,73
63 0,2751 Max 2556,94
65 0 Min -2371,42
66 0 Min -5103,71
67 0 Min -7469,99
68 0 Min -9473,58
69 0 Min -11114,48
70 0 Min -12392,68
71 0 Min -13308,19
73 0,5502 Max 2500,78
75 0 Min -2419,15
76 0 Min -5145,47
77 0 Min -7505,79
78 0,50931 Min -9502,01
79 0 Min -11138,34
80 0 Min -12410,58
81 0 Min -13320,12
86 0,7 Max 136,08
89 0,7 Max 397,97
92 0,7 Max 647,21
95 0,35 Max 895,16
98 0,7 Max 1145,69
101 0,7 Max 1394,94
104 0,7 Max 1644,18
107 0,7 Max 1897,97
110 0,7 Max 2158,09
113 0,7 Max 140,18
116 0,7 Max 402,07
119 0,7 Max 651,31
122 0,7 Max 900,55
125 0,7 Max 1149,79
128 0,7 Max 1399,04
131 0,7 Max 1648,28
134 0,7 Max 1902,07
137 0,7 Max 2162,19
142 1,89448 Max 1399,9
ESTRUCTURAS METLICAS
15
143 0,76398 Max 1380,29
145 0 Min -453,32
147 0 Min -304,58
149 0 Min -414,21
150 0 Min -304,58
151 0 Min -229,35
152 0 Min -731,16
153 0 Min -1208,75
154 0 Min -1686,33
155 0 Min -2163,92
156 0 Min -2641,5
157 0 Min -3119,09
158 0 Min -3602,54
159 0 Min -4107,46
160 0 Min -3193,27
161 1,22071 Max 822,83
162 0,90481 Max 585,97
163 0 Min -221,49
164 0 Min -723,31
165 0 Min -1200,89
166 0,67065 Min -1675,24
167 0 Min -2156,06
168 0 Min -2633,65
169 0 Min -3111,23
170 0 Min -3594,69
171 0 Min -4099,61
172 0 Min -3187,59
173 1,22071 Max 754,62
174 0,90481 Max 585,97
254 1,01863 Max 14032,73
1320 0 Min -13863,41
1321 0 Min -13840,62
1322 0 Min -13869,38
1323 0 Min -13846,58
Siendo valores negativos compresin y valores positivos a Traccin.
ESTRUCTURAS METLICAS
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3.- DISEO ESTRUCTURAL
3.1. Diseo de elementos comprimidos fraccionados placa de apoyo y
elementos a flexin.
Verificacin de Perfiles Adoptados, prediseados en SAP2000, mediante la norma
LRFD
Anlisis en 2 cercha: Cercha media y cercha extrema, analizando en 3 secciones,
en el apoyo, parte media, y parte superior en donde se ejerce una presin mxima
por parte de las cargas.
CERCHA DE LOS EXTREMOS
En el apoyo
Utilizando un Perfil C100X50X4
A = 7.47 x 2 = 14.94 A = 2.13
Ix = 113.0 Ix = 2.71
L = 56 cm L = 22
Se obtuvo una reaccin de.
P = 2510.22 compresin P = 5.534 lb
Radio de giro
r = r = r =
Clculo de
= =
=
ESTRUCTURAS METLICAS
17
Fcr =
Fcr =
Fcr = 35 KSI
Clculo de Carga Ultima Pu.
Pu =
Pu =
Pu = 68 Klb.
Verificando la carga obtenida
=
Utilizando la Tabla 3.36 para miembros a compresin de 36
KSI, . Se tiene.
Reemplazando el valor en la Formula de Pu.
Pu = 29,96 KSI * 2.316 plg.
Pu = 69 Klb.
Cumpliendo as con la carga Pu = 5.534 Klb. Dicho sobre
dimensionamiento se debe que en la parte central y en lo ms alto de
la cercha se tiene cargas mayores y se toma en cuenta esa parte para
que el diseo de la cercha sea uniforme y facilitando as las
solicitaciones.
ESTRUCTURAS METLICAS
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En la parte media (Diagonal)
Reaccin obtenida en el punto.
Utilizando un Perfil C100X50X6
A = 10.82 x 2 = 21.64 A = 3.35
Ix = 155.13 Ix = 3.72
L = 1.31 m L = 51.58
Se obtuvo una reaccin de.
P = 2510.22 compresin P = 5.534 lb
Radio de giro
r = r = r =
Clculo de
= =
=
Fcr =
Fcr =
Fcr = 32.11 KSI
ESTRUCTURAS METLICAS
19
Clculo de Carga Ultima Pu.
Pu =
Pu =
Pu = 92 Klb.
Verificando la carga obtenida
=
Utilizando la Tabla 3.36 para miembros a compresin de 36
KSI, . Se tiene.
Reemplazando el valor en la Formula de Pu.
Pu = 28,97 KSI * 3.35
Pu = 97 Klb.
Cumpliendo as con la carga Pu = 5.465 Klb. Dicho sobre
dimensionamiento se debe que en la parte central y en lo ms alto de
la cercha se tiene cargas mayores y se toma en cuenta esa parte para
que el diseo de la cercha sea uniforme y facilitando as las
solicitaciones.
ESTRUCTURAS METLICAS
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En la parte Superior (montantes)
Utilizando un Perfil C100X50X4
A = 10.82 x 2 = 21.64 A = 2.316
Ix = 155.13 Ix 2.71
L = 70 cm L = 27.56
Se obtuvo una reaccin de.
P = 13869,38 kg compresin P = 30.5 Klb
Radio de giro
r = r = r =
Clculo de
= =
=
Fcr =
Fcr =
Fcr = 34.71 KSI
ESTRUCTURAS METLICAS
21
Clculo de Carga Ultima Pu.
Pu =
Pu =
Pu = 31.1 Klb.
Verificando la carga obtenida
=
Utilizando la Tabla 3.36 para miembros a compresin de 36
KSI, . Se tiene.
Reemplazando el valor en la Formula de Pu.
Pu = 29.553 KSI * 2.316
Pu = 31.1 Klb.
Cumpliendo as con la carga Pu = 30.5 Klb. Siendo C 150X50X4 el
Perfil que soportar las diferentes tipos de cargas, y ocasionando un
sobredimensionamiento en otras partes de la cercha.
ESTRUCTURAS METLICAS
22
En la Cercha Central
En el apoyo
Utilizando un Perfil C100X50X4
A = 7.47 x 2 = 14.94 A = 2.13
Ix = 113.0 Ix = 2.71
L = 56 cm L = 22
Se obtuvo una reaccin de.
P = 2510.22 compresin P = 5.534 lb
Radio de giro
r = r = r =
Clculo de
= =
=
Fcr =
Fcr =
Fcr = 35 KSI
ESTRUCTURAS METLICAS
23
Clculo de Carga Ultima Pu.
Pu =
Pu =
Pu = 68 Klb.
Verificando la carga obtenida
=
Utilizando la Tabla 3.36 para miembros a compresin de 36
KSI, . Se tiene.
Reemplazando el valor en la Formula de Pu.
Pu = 29,96 KSI * 2.316 plg.
Pu = 69 Klb.
Cumpliendo as con la carga Pu = 5.534 Klb. Dicho sobre
dimensionamiento se debe que en la parte central y en lo ms alto de
la cercha se tiene cargas mayores y se toma en cuenta esa parte para
que el diseo de la cercha sea uniforme y facilitando as las
solicitaciones.
ESTRUCTURAS METLICAS
24
En la parte media
Utilizando un Perfil C100X50X6
A = 10.82 x 2 = 21.64 A = 3.35
Ix = 155.13 Ix = 3.72
L = 1.31 m L = 51.58
Se obtuvo una reaccin de.
P = 21589.5 traccioanda P = 47.49 Klb
Radio de giro
r = r = r =
Clculo de
= =
=
Fcr =
Fcr =
Fcr = 32.11 KSI
ESTRUCTURAS METLICAS
25
Clculo de Carga Ultima Pu.
Pu =
Pu =
Pu = 96 Klb.
Verificando la carga obtenida
=
Utilizando la Tabla 3.36 para miembros a compresin de 36
KSI, . Se tiene.
Reemplazando el valor en la Formula de Pu.
Pu = 28,97 KSI * 3.35
Pu = 97 Klb.
Cumpliendo as con la carga Pu = 47.49 Klb. Dicho sobre
dimensionamiento se debe que en lo ms alto de la cercha se tiene
cargas mayores y se toma en cuenta esa parte para que el diseo de
la cercha sea uniforme y facilitando as las solicitaciones.
ESTRUCTURAS METLICAS
26
En la parte Superior
Utilizando un Perfil C100X50X4
A = 10.82 x 2 = 21.64 A = 2.316
Ix = 155.13 Ix 2.71
L = 1.34 cm L = 27.56
Se obtuvo una reaccin de.
P = 27306.78 kg. Compresin P = 60 Klb
Radio de giro
r = r = r =
Clculo de
= =
=
Fcr =
Fcr =
Fcr = 34.71 KSI
ESTRUCTURAS METLICAS
27
Clculo de Carga Ultima Pu.
Pu =
Pu =
Pu = 91.0 Klb.
Verificando la carga obtenida
=
Utilizando la Tabla 3.36 para miembros a compresin de 36
KSI, . Se tiene.
Reemplazando el valor en la Formula de Pu.
Pu = 29.553 KSI * 2.316
Pu = 95.0 Klb.
Cumpliendo as con la carga Pu = 60 Klb. Siendo C 150X50X4 el Perfil
que soportar las diferentes tipos de cargas, y ocasionando un
sobredimensionamiento en otras partes de la cercha.
ESTRUCTURAS METLICAS
28
Calculo de placas
rea de la Columna:
A= 11.81 plg * 23.6 plg = 278.716 plg2
a) 3.35 = 13.2
b)
c)
Calculo de N y B
Clculo Del espesor
Distancia Horizontal
ESTRUCTURAS METLICAS
29
Distancia vertical
La placa tendr las dimensiones de 5 x 3 x 0.6
Y como se trata de una cercha simtrica el diseo de la placa al otro extremo, ser
la misma a la ya diseada.
3.2 PLANOS
ESTRUCTURAS METLICAS
30
ANEXOS
MOMENTOS 22 CORREAS
ESTRUCTURAS METLICAS
31
MOMENTOS 33 CORREAS
ESTRUCTURAS METLICAS
32
ESTRUCTURAS METLICAS
33
MODELO FINAL DE LA CUBIERTA