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CFGS CONSTRUCCION METALICA MODULO 246 DISEÑO DE CONSTRUCCIONES METALICAS U.T. 10.- SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS EN CONSTRUCCIONES METALICAS
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CFGS CONSTRUCCION METALICA
MODULO 246
DISEÑO DE CONSTRUCCIONES
METALICAS
U.T. 10.- SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS
EN CONSTRUCCIONES METALICAS
U.T. 10.- Soluciones constructivas en construcciones metálicas.
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Esta unidad de trabajo la vamos a desarrollar desde un punto de vista muy
práctico. La vamos a realizar mediante el diseño y calculo de una nave
industrial.
10.1.- Dimensiones y características generales de la estructura metálica.
Vamos a calcular una nave de planta rectangular en la que la estructura
portante de la cubierta se va a realizar mediante cerchas tipo Swan.
Nave:
Planta rectangular de 20m. de ancho por 50m. de largo.
Cubierta a base de placas onduladas de fibrocemento.
Vertiente a dos aguas del 25% con cumbrera en el eje de la nave.
Cerchas del tipo Swan con barras a base de 2 perfiles LPN unidas en los
nudos mediante placas de 10mm. de espesor.
Correas de perfil conformado tipo Z.
Pilares de acero de 5m. de altura.
Paredes de bloques de hormigón de 20 cm. que llegan hasta las placas
de cubierta.
10.2.- Datos básicos para el cálculo de la estructura.
Carga sobre cubierta N/m2 kN/m2
Peso propio estructura 100 0,1
Carga permanente 150 0,15
Sobrecarga de nieve 400 0,4
Sobrecarga de uso 350 0,35
Acción del viento
Acción térmica
Total 1000 1
El cálculo de la carga sobre la cubierta es una estimación para el uso didáctico
de este ejemplo.
Para un cálculo más preciso debe aplicarse lo indicado en el DB SE-AE, este
se detallará en la unidad de trabajo siguiente.
El tipo de acero que vamos a utilizar es S235 y la resistencia de calculo que
vamos a emplear (tensión de trabajo) va a ser de 224 N/mm2.
10.3.- Carga en la cercha y diagrama de Cremona.
En este punto vamos a determinar la carga que soporta la cercha y vamos a
resolverla mediante el método de Cremona.
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Carga total sobre la vertiente de la cercha:
o P=S x p=10,308m x 5,556m x 1kN/m2 = 57,27 kN
Carga que corresponde a cada nudo:
o
Carga en el apoyo de la cercha:
o P=57,27 kN
Cremona.
Ver el diagrama de Cremona en el anexo. El resultado del mismo es el
siguiente:
Barras Esfuerzos (kN) T/C
1 207 C
2 199.5 C
3 166.5 C
4 132.5 C
5 200.5 T
6 172 T
7 143 T
8 114 T
9 14.5 C
10 25 T
11 21.5 C
12 26 T
13 29 C
14 29 T
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10.4.- Perfiles de la cercha.
Barras a tracción, la sección necesaria se ha calculado por S=F/t. Siendo F la
fuerza a tracción que sufre la barra y t el coeficiente de trabajo (Resistencia de
cálculo) adoptado.
Barras a tracción Esfuerzo (kN) Sección necesaria cm
2
Perfil adoptado Sección del perfil cm
2
5 200.5 8.95 2L 50.5 9.6
6 172 7.67 2L 50.5 9.6
7 143 6.38 2L 50.5 9.6
8 114 5.08 2L 50.5 9.6
10 25 1.11 2L 35.4 5.34
12 26 1.16 2L 35.4 5.34
14 29 1.29 2L 35.4 5.34
Barras a compresión. La tensión resultante se ha calculado mediante la
ecuación =F/S.
Barras a compresión
Esfuerzo (kN) Longitud barra (cm)
Perfil adoptado Tensión unitaria resultante (N/mm
2)
1 207 257.7 2L 70.10 205.4
2 199.5 257.7 2L 70.10 198
3 166.5 257.7 2L 70.10 165.2
4 132.5 257.7 2L 70.10 131.5
9 14.5 70 2L 40.5 22.4
11 21.5 145 2L 40.5 71.7
13 29 220 2L 40.5 203.2
10.5.- Correas.
Las placas onduladas de fibrocemento de la cubierta serán de 2.5m de largo,
por lo que las correas irán separadas una distancia de 1.15 m, según el
catalogo del fabricante.
Las correas son vigas apoyadas en los extremos con carga uniformemente
repartida:
El módulo resistente necesario de la correa lo calcularemos por la formula de
Navier:
t=Mmax/Wx
Carga total sobre una correa (ver figura):
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P = S·p = 5.556m x 1.15m x 1kN = 6.39 kN
Momento flector máximo:
Mmax = Pl/8 = 6.39 x 5.56 / 8 = 4.44 kN·m
Mmax = 444 kN·cm
Módulo resistente necesario:
Wx = Mmax /t = 444 kN·cm / 22.4 kN/cm2 = 19.82 cm3
Elegimos la correa ZF 120x2.5 que tiene un módulo resistente de Wx= 23 cm3.
10.6.- Pilares.
Como los muros exteriores de la nave serán de bloques de hormigón de 20cm.,
los pilares de las cerchas y los pilares de los muros frontales los pondremos de
perfil IPE 240. De este modo los muros entraran dentro de los huecos laterales
del IPE.
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Verificación de la tensión unitaria que sufrirá el pilar.
IPE 240:
S= 3.91 cm2
iy= 2.69 cm
= l/iy= 500/2.69= 186 = 5.91
S= P/S= (57270x5.91)/3.910 = 86.56 N/mm2 Admisible
10.7.- Riostras o cruces de San Andrés. Acción del viento sobre la nave.
A) Viento sobre el muro piñón (fachada principal o trasera). Cálculo de la
riostra lateral de la nave.
Para simplificar consideraremos la fachada rectangular de 8 metros de altura
por 20 metros de ancho.
La fuerza del viento a considerar es de 50 kgf/m2, lo que provoca un viento de
104 km/h (Ver el DB acciones en la edificación)
La fuerza total que ejerce el viento sobre la fachada valdrá:
Fv=PvS=50x8x20=8.000 kgf.
Supondremos que esta fuerza se transmite a las paredes laterales a través de
las fuerzas f que, mediante la viga cinturón A-B y las correas acciona en el
nudo A. En este nudo ponemos la riostra A-C que trabajará a tracción y evitará
la caída de los pilares.
Mediante el análisis de equilibrio del nudo A determinamos la fuerza de tracción
T que debe realizar la riostra A-C y la sobrecarga a compresión R que recae
sobre el pilar.
Se observa que el perfil necesario para la riostra es pequeño.
Para dar estabilidad a la estructura de la nave, la riostra AC se coloca en el
tramo primero y último (a cada lado de la nave).
Como el viento puede soplar en la dirección opuesta incidiendo sobre la otra
pared (la trasera), es necesario poner la riostra en el otro sentido, con lo que se
forman las cruces de San Andrés, que se ponen a cada lado tal como muestra
la figura.
Observar el DB SE-AE seguridad estructural acciones en la edificación para
conocer el valor de esta acción.
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En nuestro cálculo hemos simplificado con el objeto de entender el
“funcionamiento” de las riostras. La solución de poner riostra al primero y al
último tramo de la nave nos asegura con creces los empujes y depresiones que
puede originar el viento.
B) Viento sobre la fachada lateral. Cálculo de la acción combinada de la
carga de la cubierta y el viento sobre un pilar.
El viento sobre la fachada lateral provoca una carga uniformemente repartida
sobre cada pilar que les provoca una flexión. Esta flexión se transmite, a través
de la cercha al pilar opuesto, por lo que el empuje del viento es soportado por
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los dos pilares. No obstante para simplificar como si el empuje del viento lo
resistiera un solo pilar que se encuentre empotrado en el suelo y libre en su
parte superior.
La fuerza total que ejerce el viento sobre el pilar valdrá:
El pilar sufre la compresión de la carga de la carcha y la flexión del viento,
sufriendo una tensión máxima en el empotramiento (a nivel del suelo).
Ejercicio: Comprobar el pilar con la acción combinada del viento y la carga de
la cubierta.
10.8.- Calculo de la viga superior de la fachada principal y trasera.
En la fachada principal y en la trasera no irá una cercha, sino una viga IPE 140
que se colocará sobre los pilares IPE240 de las fachadas. Estos pilares los
hemos elegido iguales a los de las fachadas laterales ya que sufren una acción
del viento similar, aunque la carga vertical sea menor.
Encima de la viga IPE 140 se apoyaran las correas.
También se pondrá un cinturón horizontal de IPE140 que dará la vuelta a la
nave y que hará la función de atado de la nave.
Vamos a calcular la viga superior. Aunque se trata de una viga continua, para
nuestro cálculo la consideraremos apoyada en los extremos con una longitud
aproximada de 5 metros.
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Carga sobre la viga:
Q= (5.55 metros /2) x 5 metros x 1kN/m2 = 13.87 kN = 13875 N
t= Mmax/Wx Wx= Mmax/t = (Q·l/8)/t =38713.7 mm3 = 38.71 cm3
IPE 140 WX= 77.3 cm3 Aceptable
Ejercicio: Delinea los planos de la nave industrial que hemos calculado en esta
unidad de trabajo.
1. Planta cubierta (E 1/125)
2. Alzado terminado (E 1/150)
3. Planta pilares (E 1/150)
4. Planta estructura de cubierta (E 1/125)
5. Alzado pórticos estructura (E 1/150)
6. Alzado lateral estructura (E 1/125)
