DISEÑO SÍSMICO DE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO INDUSTRIAL

8/18/2019 DISEÑO SÍSMICO DE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO INDUSTRIAL

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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructu ralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructu ral

DISEÑO SÍSMICO DE SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO INDUSTRIAL

(RACKS) POR EL UBC Y NORMAS MEXICANAS

Rafael Alberto Forsbach Prieto1

RESUMEN

El diseño sísmico de los sistemas de almacenamiento industrial conocidos como Racks, Pallet Racking, etc.,se realiza a nivel internacional con el Uniform Building Code, edición 1997, (UBC-97), y más recientementese comienza a usar el International Building Code, edición 2003, (IBC-03); estas normas internacionalesdifieren sustancialmente con las normas mexicanas (RCDF NTCDS y CFE DS); los estructuristas quenecesiten revisar, avalar o diseñar Racks, deberán conocer dichas normas para poder establecer bases dediseño que cumplan con ellas.Este artículo muestra la compatibilidad que existe entre el UBC y los Reglamentos Mexicanos, dando lasrecomendaciones necesarias para garantizar un adecuado diseño sísmico. También se dan propuestas que

pueden servir como una adición al Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, para este tipo deestructuras.

ABSTRACT

The seismic design of industrial storage systems, also known as Racks, Pallet Racking, etc., can be done at aninternational level using the Uniform Building Code, 1997 edition (UBC-97), and more recently, using theInternational Building Code, 2003 edition (IBC-03). These international regulations differ substantially withthe Mexican ones (RCDF NTCDS and CFE DS). Structural Engineers, who need to review, verify or designRacks, should know these regulations so they can achieve the design requirements stated.This article shows the compatibilities, which exist between the UBC and the Mexican regulations, by givingthe necessary recommendations on how to guarantee a correct seismic design. It also shows some proposals toextend the Construction Regulations for the DF so as to take into account this type of structures.

INTRODUCCIÓN

Los sistemas de almacenamiento industrial, conocidos como Racks, Pallet Racking, etc. son estructurasconstruidas a base de perfiles metálicos ligeros, pudiendo ser atornilladas, soldadas o a base de clips, y por logeneral se arman marcos tipo a base de postes continuos y elementos atornillados, horizontales y diagonales.Estos sistemas conectan estos marcos por medio de vigas que pueden ser canales o en caja. La fabricación serealiza mayormente con lámina doblada en frío, de acero, añadiendo dobleces al perfil con fines derigidización de las secciones de lámina que lo forman.Las dimensiones de los marcos de los racks varían dependiendo de la firma que los produzca, pero en general

podemos decir que andan del orden de los 1.05 m de separación entre postes, y sus alturas parciales deelementos horizontales y diagonales son del orden de 0.8 m a 1.4 m, y las alturas máximas totales cuando noforman edificios es de aproximadamente 11.0 m, y las dimensiones totales máximas cuando forman edificiosson del orden de 30.0 m de altura, 30.0 m de ancho y 120.0 m de largo, contando en estos casos concontraventeo de refuerzo; y en ningún caso cuentan con diafragma rígido.

___________________1Director General, Proyectos y Construcciones Forsbach, S.A. de C.V., Puente No. 126, Col. Jardines del Sur,Xochimilco, México, D.F., C.P. 16050, Teléfono y Fax (55)-56-76-71-21, [email protected]


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XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estruc tural Acapulc o, Gro., 2004

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Figura 1 Conexiones en un marco tipo Figura 2 Conexión de viga long itud inal a poste

Figura 3 Racks de almacenamiento que no forman edificios

Figura 4 Vista general de una estructura de Racks que forman edificio, sin contraventeo


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Figura 5 Vista fron tal de una estru ctur a de Racks que forman edifi cio, sin con traventeo

Figura 6 Vista lateral de una estructura de Racks que forman edificio, sin contraventeo

El diseño sísmico de los Racks, se realiza a nivel internacional con el Uniform Building Code, edición 1997,(UBC-97), y más recientemente se comienza a usar el International Building Code, edición 2003, (IBC-03),que son reglamentos que contemplan el diseño de estos sistemas; adicionalmente existen otros reglamentoscomplementarios como son el Rack Manufacturers Institute (RMI), Euro Code (EC), las normas DIN, el

American Iron and Steel Institute (AISI); estas normas internacionales difieren sustancialmente con lasnormas mexicanas (RCDF NTCDS y CFE DS), y los estructuristas que necesiten revisar, avalar o diseñarRacks, deberán conocer esas normas para poder establecer las bases de diseño aplicables.

METODOLOGÍA DEL UBC-97

El UBC-97 es el reglamento propuesto posterior al sismo de Northridge (19-Enero-1994) con una Magnitudde 6.6, con una aceleración horizontal de 0.93g y una aceleración vertical de 0.25g, y establece la siguientemetodología para el cálculo por sismo de estas estructuras:

TIPOS DE SUELOS UBC-97

Tabla 1 Se clasifi can 6 tipo s de suelos

Tipo de Suelo Clasificación Velocidad deOnda de Corte

Nº. De GolpesPenetración Estándar

S A Roca Dura >1500 m/s -S B Roca 1500760 ≤< V -S C Roca Blanda o Suelo Compacto 760360 ≤< V >50S D Suelo Rígido 360180 ≤< V 5015 ≤≤ N S E Suelo Blando 180


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COEFICIENTES DE RESPUESTA SÍSMICA UBC-97

Tabla 2 Coeficientes de Respuesta Sísmic a

Factor de Zona sísmica, Z1 2A 2B 3 4

C A CV C A CV C A CV C A CV C A CVS A 0.06 0.06 0.12 0.12 0.16 0.16 0.24 0.24 0.32 0.32S B 0.08 0.08 0.15 0.15 0.20 0.20 0.30 0.30 0.40 0.40S C 0.09 0.13 0.18 0.25 0.24 0.32 0.33 0.45 0.40 0.56S D 0.12 0.18 0.22 0.32 0.28 0.40 0.36 0.54 0.44 0.64S E 0.19 0.26 0.30 0.50 0.34 0.64 0.36 0.84 0.36 0.96

FACTOR DE MODIFICACIÓN DE LA RESPUESTA SÍSMICA UBC-97

El factor de modificación de la respuesta sísmica “R”, representa la sobre-resistencia y capacidad deductilidad global de la estructura, similar al Factor de Comportamiento sísmico “Q” de las normas Mexicanas.

Tabla 3 Factor d e Modifi cación de la Respu esta Sísmica

Factor deComportamiento

Sísmico UBC-97 Tipo de Estructura

R = 4.4 Tabla 16-N Racks que forman estructuras de edificioscon marcos metálicos contraventeados

R = 3.6 Tabla 16-P Racks de AlmacenamientoQue no son estructuras de edificios

CÁLCULO DEL CORTANTE SÍSMICO UBC-97

Con los factores anteriores, se obtienen tres valores del cortante sísmico, esto es:El cortante de diseño en la base es igual a

W T R

I V C V UBC **

*

= (1)

El mínimo valor del cortante de diseño en la base es igual aW I AC V MIN UBC ***11.0

= (2)

El máximo valor del cortante de diseño en la base es igual a

W R

I AC V MAX UBC ***5.2

= (3)

Donde:C A = Coeficiente sísmico C V = Coeficiente sísmicoI = Factor de importancia = 1 R = Factor de modificación de la respuesta sísmicaT = Período natural de vibrar de la estructura, obtenido de un análisis dinámicoW = Carga Muerta + Carga Viva


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ESPECTRO DE RESPUESTA SÍSMICA SEGÚN UBC-97

Figura 7 Espectro de Diseño Sísmico

Para AT T ≤≤0 AC T AT

AC A +=

5.11 (4)

Para B A T T T ≤≤ AC A 5.22 = (5)

Para BT T > T

C A V =3 (6)

COMBINACIONES DE CARGA UBC-97

Tabla 4 Combin aciones de carg a Sección 1612.3.2 del UBC-97

Método de Diseño Combinación de Cargas1.4D1.2D + 1.6L + 0.5(L R or S)1.2D + 1.6(L R or S) + (f 1L or 0.8W)1.2D + 1.3W + f 1L + 0.5(L R or S)1.2D + 1.0E + (f 1L + f 2S)

LRFD

0.9 + (1.0E or 1.3W)

Donde:D = Carga Muerta L = Carga Viva de entrepisoL R = Carga Viva de azotea S = Carga de NieveW = Carga de Viento E = Carga de Sismof 1 = 1.0 debido a que la carga viva es mayor que 100 lbf/ft2 = 4.79 kN/m2 = 488 kgf/m2f 1 = 0.5 debido a que la carga viva es menor o igual que 100 lbf/ft2 = 4.79 kN/m2 = 488 kgf/m2


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METODOLOGÍA DE REGLAMENTOS MEXICANOS

Usaremos el Reglamento de la CFE en su capítulo Diseño por Sismo, en donde se dan los espectros de diseño

para estructuras del grupo B, para las 4 zonas sísmicas.

COEFICIENTES PARA EL TRAZO DE ESPECTROS DE DISEÑO SÍSMICO CFE-93

Tabla 4 Coeficientes para Construir lo s Espectros de Diseño Sísmico

ZonaSísmica

Tipo deSuelo A 0 C

T A (Seg)

TB (Seg) r

I 0.02 0.08 0.2 0.6 1/2II 0.04 0.16 0.3 1.5 2/3 AIII 0.05 0.20 0.6 2.9 1I 0.04 0.14 0.2 0.6 1/2II 0.08 0.30 0.3 1.5 2/3BIII 0.10 0.36 0.6 2.9 1

I 0.36 0.36 0.0 0.6 1/2II 0.64 0.64 0.0 1.4 2/3CIII 0.64 0.64 0.0 1.9 1I 0.50 0.50 0.0 0.6 1/2II 0.86 0.86 0.0 1.2 2/3DIII 0.86 0.86 0.0 1.7 1

ESPECTRO DE DISEÑO SÍSMICO, MX

Figura 8 Espectro de Diseño Sísmico

Si T < T A ( ) AT

T AC A A 001 −= + (7)

Si B A T T T ≤≤ C A =2 (8)

Si T > T B

r

B

T

T C A

=3 (9)

Donde:C = Coeficiente Sísmico


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T = Período de vibrar de la estructura, obtenido de un análisis dinámicoT A = Período característico del sueloT B = Período característico del suelo

FACTOR DE COMPORTAMIENTO SÍSMICO, MX

Debido a que el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal y sus Normas TécnicasComplementarias para Diseño por Sismo y para Diseño y Construcción de Estructuras Metálicas; así como elManual de Obras Civiles de la Comisión Federal de Electricidad en su apartado de Diseño por Sismo, nocontemplan Factores de Comportamiento Sísmico mayores a Q = 2, porque se trata de estructuras que no sonconsideradas como dúctiles, además que no contemplan estructuras construidas a base de lámina doblada enfrío.

CÁLCULO DEL CORTANTE SÍSMICO, MX

Con los factores anteriores, se obtienen tres valores del cortante sísmico, esto es:El cortante de diseño en la base, obtenido de un análisis dinámico, es igual a

Para la rama ascendente del espectro W Q

AV D *

1

= (10)

Para la meseta del espectro W Q

AV D *

2

= (11)

Para la rama descendente del espectro W Q

AV D *

3

= (12)

Además se debe cumplir con que el cortante sísmico de diseño será el valor mayor de entre el obtenidodinámicamente y el 80% del obtenido por un análisis sísmico estático.

El cortante sísmico estático es W Q

C V E *

= (13)

Y se debe cumplir lo siguiente:( ) E D V V MaxV 8.0,= (14)

COMBINACIONES DE CARGA, MX

Tabla 5 Co mbin aciones de carga según las Normas Mexicanas

Método de Diseño Combinación de Cargas1.4D + 1.4L1.1D + 1.1L R + 1.1E X + 0.3E Z1.1D + 1.1L R + 1.1E Z + 0.3E X1.1D + 1.1L R + 0.8(1.1EE X + 0.3EE Z)

LRFD

1.1D + 1.1L R + 0.8(1.1EE X + 0.3EE Z)

Donde:D = Carga Muerta L = Carga Viva de entrepisoL R = Carga Viva Reducida E X = Sismo Dinámico dirección XE Z = Sismo Dinámico dirección Z EE X = Sismo Estático dirección XEE X = Sismo Estático dirección Z


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De la aplicación de estos reglamentos, puedo sacar las siguientes conclusiones y recomendaciones:

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1. Para diseñar Racks, se debe cumplir que la fuerza cortante sísmica calculada en la base con el UBC-97, sea mayor o igual que la fuerza cortante sísmica que demandan las Normas Mexicanas, esto es, V V MX UBC ≥ (15)

2. El coeficiente sísmico efectivo obtenido por el UBC-97, o sea, el coeficiente que multiplicado por lacarga nos da la fuerza cortante en la base, debe ser mayor o igual al obtenido por las Normas

Mexicanas,

=≥=

Q

AC

T R

I V C C EFECTIVO MX EFECTIVOUBC 3,2,1

*

* (16)

3. Las Normas Mexicanas parten de la premisa que las estructuras deben contar con un diafragmarígido, por lo que admiten el análisis simultáneo del sismo en una dirección y un 30% del sismo en la

dirección perpendicular; y estas estructuras, los Racks, no cuentan con diafragma rígido, por lo quese deben analizar por sismo como estructuras aisladas en cada dirección principal de estructuración.

4. La máxima deflexión vertical permitida a las vigas por el RMI es de 1 / 180 del claro, valorligeramente mayor que el permitido por las Normas Mexicanas que es de (1 / 240)xL + 0.5 medidoen cm.

5. Los Racks son estructuras flexibles con ciclos histeréticos amplios antes de llegar a la falla, lo queimplica que son estructuras dúctiles.

6. El factor de Comportamiento Sísmico “Q”, a usar en el diseño sísmico de Racks, debería ser Q = 3,en vez de Q = 2, debido que las experiencias desarrolladas por el UBC-97, así nos lo indican, ya queel valor mínimo recomendado ahí es de Q = R = 3.6

7. El modelo tridimensional de los Racks, se deberá realizar en la dirección transversal (cross aisledirection) modelando los marcos con las barras horizontales y diagonales articuladas en susextremos, y los postes como elementos continuos, y en la dirección longitudinal (down aisle

direction), es recomendable modelar la unión de vigas y postes como conexión continua, ya que las pruebas de laboratorio han demostrado que en estricto rigor son semirígidas, de acuerdo a ladenominación del Euro Código, pero debido a que su relación longitud / peralte de viga es del ordende 20, el esfuerzo máximo se presenta en el centro del claro y no en la conexión, por tanto, elconsiderar estas conexiones como continuas, seguramente se apega a la realidad.

8. Debido a que estas estructuras son flexibles, es recomendable que su análisis se realice usandosegundo orden, esto es, análisis ∆−P , para proteger el diseño de los postes.

AGRADECIMIENTOS

El autor desea agradecer al Ing. Rafael Forsbach Valle y a la C.P. Elsa María Valle León por su valiosa

colaboración en la preparación y edición de este estudio, así como a Beat S. Strub por brindarnos informaciónnecesaria para la elaboración de este artículo.

BIBLIOGRAFÍA

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IX, México, D.F., febrero, 72 pp.

Comisión Federal de Electricidad (1993), “ Manual de Diseño de Obras Civiles, Diseño por Sismo ”,México, D.F., Tomos I y II, octubre, 152 y 162 pp.

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