Proyecto de Aula Acero y Madera

8/3/2019 Proyecto de Aula Acero y Madera

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DISEO DE ESTRUCTURAS DE ACERO Y MADERA

DISEO ESTRUCTURAS DE ACERO Y MADERAPROYECTO DE AULA 2011 - 2

Diana Marcela Zuluaga GiraldoWilmar Vlez Licona.

Juan Rafael Gonzlez FrancoJuan Alexander Arboleda

Materia:Diseo de estructuras de acero y madera

Docente:

Arabella Zapata

POLITECNICO COLOMBIANO JAIME ISAZA CADAVIDFACULTAD DE INGENIERIAS

INGENIERIA CIVILMEDELLIN

2011


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CERCHA METALICA

1. NOMBRE DEL PROYECTOCentro Vehicular del Norte ubicado en la autopista norte contiguo al trnsitomunicipal de Bello (Diagonal 50 # 42-75)

2. DESCRIPCION DEL PROYECTOConstruccin de cubierta en eternit, soportada en una estructura metlica tipocercha en acero, la cual se encuentra apoyada en los extremos, los cuales soncolumnas formadas por ngulos o por perfiles angulares.

3. LOCALIZACION


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4. DESCRIPCION DE LOCALIZACION

BELLO es un municipio de Colombia, ubicado en el Valle de Aburr deldepartamento de Antioquia. Limita por el norte con el municipio de San Pedro delos Milagros, por el este con el municipio de Copacabana, por el sur con elmunicipio de Medelln y por el oeste con los municipios de Medelln y SanJernimo.

Bello hace parte del Valle de Aburr, un valle de la Cordillera de los Andes. Laciudad cuenta con un rea total de 142,36 Km de los cuales 19,7 Km son suelourbano y 122,66 km son suelo rural. Este valle est totalmente urbanizado en suparte plana, y muy ocupado en sus laderas. Al valle lo cruza el Ro Medelln, elcual corre en direccin sur-norte, y a lo largo de sus 70 kilmetros recibe en surecorrido el tributo de 57 quebradas.Topogrficamente la parte urbana de la ciudad es un plano inclinado quedesciende desde 1.600 a 1.400 metros de altura sobre el nivel del mar. Bello esten la parte norte del valle y las montaas que rodean a la ciudad sobrepasan los

2.500 metros de altura.

La ciudad, por estar ubicada en la zona trrida, no registra cambios estacionariosdel clima. El ndice promedio de precipitacin es de 1.347 mm., y su temperaturaest determinada por pisos trmicos que van del pramo, pasando por el frohasta llegar al medio, en donde est la cabecera, la cual tiene una temperaturapromedio de 23 C durante todo el ao, intercalando perodos secos y lluviosos y


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se ve refrescada por los vientos que se encaonan a lo largo del valle y quesoplan durante todo el ao

MAPA DE ZONIFICACION SISIMICA

MAPA DE ACELERACIN HORIZONTAL EFECTIVA Aa


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5. SISTEMA ESTRUCTURALEste tipo de sistemas tienen la caracterstica de ser muy livianos y con una grancapacidad de soportar cargas. Se utilizan principalmente en construcciones con

luces grandes, como techos de bodegas, almacenes, iglesias y en generaledificaciones con grandes espacios en su interior.

Existen diferentes tipos de cerchas de acuerdo con la solucin estructural que serequiere. Su construccin o ensamble se lleva a cabo uniendo elementos rectos,que principalmente trabajan a esfuerzos axiales, en unos puntos que se llamannudos y conforman una geometra tal que el sistema se comporta establementecuando recibe cargas aplicadas directamente en estos nudos.De acuerdo con su uso tenemos cerchas para techos, para puentes osimplemente para vigas pertenecientes a un sistema de piso.

En las cerchas utilizadas para techos se busca que su geometra conforme o suplala forma del techo. Por lo general el cordn superior conforma las pendientes deltecho y el inferior es un tensor horizontal. En techos con luces grandes estoobligara a tener una cercha muy alta en el centro, en ese caso se puede tambinhacer la cuerda inferior inclinada.


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En el caso de vigas simples cargadas por la parte superior, donde el sistematrabajar como un todo a flexin, se pueden construir los diagramas de momentoy cortante comparndolos con los de una viga de alma llena. Encontramos quelos momentos internos que producen esfuerzos de compresin y traccin en laviga, se descomponen en un par de fuerzas en la cercha produciendo esfuerzosde compresin en el cordn superior y esfuerzos de traccin en el cordn inferior;

las diagonales resisten esfuerzos cortantes como tambin parte de los momentosy sirven de unin entre el elemento superior y el inferior.

Tipos de cerchas: Existen muchos tipos de cerchas de acuerdo con su uso, estostipos tomaron el nombre de la primera persona que las analiz o construy, una deellas es la Pratt para puentes y para techos:


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Se puede decir que para cerchas simplemente apoyadas, de acuerdo con laorientacin de las diagonales ellas trabajaran a traccin o a compresin.

TIPOS DE CERCHAS

Armadura Polonceau de tirante recto, es apropiada para salvar luces hastade 14 m
http://4.bp.blogspot.com/-qdYKF6FZkTk/TclZlwGNmsI/AAAAAAAAF8k/mfQYF8WOovg/s1600/fig1.png


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Armadura Polonceau de tirante peraltado: cuando lleva las barras (depuntos) se denomina Polonceau compuesta: emplendose para luces dehasta 24 m.

Armadura inglesa, empleada para salvar luces de 24- 30 m: se caracterizaporque sus diagonales D trabajan a traccin y susmontantes M lo hacen a compresin.

Armadura Norteamericana, empleada para luces de hasta 30 m: susdiagonales trabajan a compresin y sus pndolas a traccin.

Armadura belga: para luces anlogas a las anteriores, se caracteriza portener las tornapuntas perpendiculares a los pares, y el tirante peraltado. Esuno de los sistemas ms empleados.
http://2.bp.blogspot.com/-AMqqXwxqoZ8/TclZoZcj_aI/AAAAAAAAF80/M9DXhuDc_rY/s1600/fig5.pnghttp://2.bp.blogspot.com/-J0zkmNuXM7w/TclZn3pqiKI/AAAAAAAAF8w/ES4FcVuj8CY/s1600/fig4.pnghttp://1.bp.blogspot.com/-Nhv-zt_o10M/TclZnaayiAI/AAAAAAAAF8s/Uu8F2PT6jQw/s1600/fig3.pnghttp://3.bp.blogspot.com/-VaEtUf_h6t8/TclZmiYYWJI/AAAAAAAAF8o/Tnb23xJ93GA/s1600/fig2.png


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Armadura en diente de sierra los ingleses la denominan Shed: son las msadecuadas para los talleres en los que se desee disponer de luz cenital; locual se consigue con el acristalamiento del faldn de la cubierta de mspendiente.

Armadura en diente de sierra reforzada: es la apropiada para salvar luces

hasta de 15 m. En esta clase de armadura, los apoyos coinciden en laslimahoyas de las cubiertas.

Armaduras para marquesinas se emplean generalmente estos elementospara proteger las entradas de los edificios. Tambin en los muelles de lasestaciones del FF. CC., naves industriales, etc. Generalmente seconstruyen de hasta 5 m de voladizo.
http://1.bp.blogspot.com/-FBC1aEhrofU/TclZqNkydrI/AAAAAAAAF9A/FjOop7OBFSg/s1600/fig8.pnghttp://3.bp.blogspot.com/-PhJ5MmnjaEc/TclZpr7zloI/AAAAAAAAF88/hfapp51mOmY/s1600/fig7.pnghttp://2.bp.blogspot.com/-5ScwbbDTYoY/TclZpBKNG8I/AAAAAAAAF84/w0UgGKIqW1g/s1600/fig6.png


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6. GRUPO DE USO DE LA ESTRUCTURA (Titulo A.2.5-3 NSR-10)Grupo II Estructuras de ocupacin especial Cubre las siguientes estructuras:

a. Edificaciones en donde se puedan reunir ms de 200 personas en un

mismo saln,b. Graderas al aire libre donde pueda haber ms de 2000 personas a lavez.

c. Almacenes y centros comerciales con ms de 500 m por piso,d. Edificaciones de hospitales, clnicas y centros de salud, no cubiertas en

A.2.5.1.1.e. Edificaciones donde trabajen o residan ms de 3000 personas, yf. Edificios gubernamentales.

7. TIPO DE SUELO:

Tipo de suelo C, el cual cumple con los siguientes criterios

Vs: Velocidad de la onda de cortante en roca N: Nmero medio de golpes del ensayo de penetracin estndar en cualquier

perfil de sueloSu: Resistencia media al corte

De acuerdo a la anterior tabla para el tipo de suelo C tenemos lo siguiente:

Vs: entre 360 y 760 m/sN: Mayor que 50Su: mayor que 100 kPa

8. ESPECTRO DE DISEO Sa

Aa = coeficiente que representa la aceleracin horizontal pico efectiva, paradiseo, dado en A.2.2.

Av = coeficiente que representa la velocidad horizontal pico efectiva, para diseo,dado en A.2.2.


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De acuerdo a la anterior tabla para la ciudad de Medelln tenemos lo siguiente:

Aa: 0,15 Av: 0,20


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aa

vvo

F A

F AT 1.0

aa

vvc

F A

F AT 48.0

v LF T 4.2

Con estos valores se busca en las Tablas A.2.4-3 y A.2.4-4 los valorescorrespondiente para Fa y Fv (Interpolando si es necesario).

Fa = coeficiente de amplificacin que afecta la aceleracin en la zona de perodoscortos, debida a los efectos de sitio, adimensional.Fv = coeficiente de amplificacin que afecta la aceleracin en la zona de perodos

intermedios, debida a los efectos de sitio, adimensional.

Fa: 1,2 Fv: 1,6

A continuacin se determina el Coeficiente de importancia I, que segn la NSR-2010 Numeral A.2.5.2 y teniendo presente que el grupo de uso es II (Almacn conms de 500 m2 por piso) se tiene que el valor del coeficiente de importancia es:

I: 1.1

Ahora se calculan los periodos de vibracin T o, T c y TL, los cuales permitenidentificar las zonas en que se divide el espectro de diseo. Para ello se aplicanlas siguientes ecuaciones:

De esta manera se obtienen los siguientes valores:

To: 0.18 Tc: 0.85 TL: 3.84

Finalmente, aplicando las ecuaciones que se encuentran en la norma NSR-2010 seccin A.2.6 se grafica el espectro de diseo con los datos y coeficienteshallados previamente:


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En base a la grfica de espectro de diseo y teniendo presente que la estructuraes una cercha se escoge la ecuacin que corresponde a la meseta del espectro,que para este caso en particular es:

S a= 2.5A aFaI = (2.5)(0.15)(1.2)(1.1) = 0.495 s

9. FUERZA SSMICA DE DISEOPor definicin, la fuerza ssmica de diseo es: F ssmica = S a x W en donde S a corresponde al espectro de diseo calculado previamente y W es el peso total dela estructura.

Se debe primero hallar el peso total de la estructura:

WTOTAL = W cubierta techo + W cerchas transversales + W propio de la cercha

Teniendo presente que el rea tributaria es de 113.34 m2 y despus de hacer elanlisis para determinar cada uno de estos pesos, teniendo presente que el perfilde la estructura es LI 2 x 1/8 que tiene un peso de 2.46 Kg/m, que las varillas queconforman las cerchas perimetrales tienen un dimetro de y tienen un peso de0.994 Kg/m y las dimensiones de la estructura que se muestran en el planorespectivo se obtienen los siguientes resultados:

Wcubierta techo = 1227.6 Kg

Wcerchas transversales = 488.1 KgWpropio de la cercha = 363.77 Kg

Por lo tanto:

WTOTAL = 2079.47 Kg

Como la estructura analizada sirve de soporte para un techo, se considera que lascargas vivas son nulas y por lo tanto la fuerza ssmica depender slo de lascargas muertas, es decir de W TOTAL .

Por lo tanto,

Fssmica = S a x WTOTAL F ssmica = (0.495)(2079.47 Kg) = 1029.34 Kg

Para el anlisis estructural de la cercha, se emple el software SAP2000. Para talanlisis se definieron los siguientes nudos:


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GEOMETRA GENERAL


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Se ingresaron los datos anteriores, dimensiones de la cercha, etc. Y se realiz elproceso de anlisis en el cual se obtuvieron los siguientes resultados:

Distribucin de fuerzas verticales debidas al peso propio en losnudos de la armadura.

Esquema de cargas muertas sobre la estructura:


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Esquema de cargas vivas sobre la estructura:

Esquema de fuerzas ssmicas sobre el prtico usando el mtodo dela fuerza esttica equivalente:

Dibujo del levantamiento de la estructura en plano:(para ver las longitudes de cada tramo, se puede consultar el archivopuntos.xls en donde se consign dicha informacin.


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10. ANLISIS ESTRUCTURAL

Para el anlisis estructural se consideraron las siguientes combinaciones de carga(extradas de la NSR-2010), las cuales fueron tenidas en cuenta por el software declculo:


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COMBINACIONES DE CARGA UTILIZADAS

COMB 1: 1.4D

COMB 2: 1.2D + 1.6L

COMB 3: 1.2D + 1.0L + 1.0Ex


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COMB 4: 0.9D + 1.0Ex

ENV: Envolvente : COMB 1 + COMB 2 + COMB 3 + COMB 4

CSERVICIO: 1.0D+ 1.0L

Una vez ingresados en el Software y despus de correr el programa, losresultados de aplicar las combinaciones anteriores, fueron exportados a un archivode Excel, que contiene entre otros, la siguiente informacin:


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TABLE: Combination DefinitionsComboName ComboType AutoDesign CaseName ScaleFactor SteelDesign ConcDesign AlumDesign ColdDesign GUID

Text Text Yes/No Text Unitless Text Text Text Text TextS1 Linear Add No DEAD 1 None None None NoneS1 LIVE 1S1 SDEAD 1

S2 Linear Add No DEAD 1 None None None NoneS2 LIVE 1S2 SDEAD 1S2 EQX 0.7S2 EQY 0.21S3 Envelope No DEAD 1 None None None NoneS3 LIVE 1S3 SDEAD 1S3 EQX -0.7S3 EQY -0.21S4 Linear Add No DEAD 1 None None None NoneS4 LIVE 1S4 SDEAD 1S4 EQX 0.7S4 EQY -0.21

S5 Linear Add No DEAD 1 None None None NoneS5 LIVE 1S5 SDEAD 1S5 EQX -0.7S5 EQY 0.21ENVS Envelope No S1 1 None None None NoneENVS S2 1ENVS S3 1ENVS S4 1ENVS S5 1U1 Linear Add No DEAD 1.2 None None None NoneU1 LIVE 1.6U1 SDEAD 1.2U2 Linear Add No DEAD 1.2 None None None NoneU2 LIVE 1U2 SDEAD 1.2U2 EQX 1U2 EQY 0.3U3 Linear Add No DEAD 1.2 None None None NoneU3 LIVE 1U3 SDEAD 1.2U3 EQX -1U3 EQY -0.3U4 Linear Add No DEAD 1.2 None None None NoneU4 LIVE 1U4 SDEAD 1.2U4 EQX 1U4 EQY -0.3U5 Linear Add No DEAD 1.2 None None None NoneU5 LIVE 1U5 SDEAD 1.2U5 EQX -1U5 EQY 0.21U6 Linear Add No DEAD 1.4 None None None NoneU6 SDEAD 1.4ENVU Envelope No U1 1 None None None NoneENVU U2 1ENVU U3 1ENVU U4 1ENVU U5 1ENVU U6 1


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Los resultados de todo el proceso de anlisis se presentan en el archivoPuntos.xls que se puede descargar de los links que se citan al final de la pgina.No obstante, a continuacin se muestra un pantallazo del archivo en mencin(para verlo mejor slo basta con aplicar la opcin Zoom):

PUNTOS LONG PARA PESO PROPIO W/M kg CUBIERTA LONG TOTAL AFERENTE AREA m W/m W L/M2 L2 39 14 44 600 6 30 300 1530 2.46E-03 1.88 630 0.63 3.1 1.953 15.14 29.56 35 68.3

10 43 21 48 600 193 700 300 1793 2.46E-03 2.218 42 19 47 700 726 418 1800 300 3944 2.46E-03 4.856 41 17 46 1800 1847 998 3383 2800 300 11128 2.46E-03 13.694 40 15 45 2800 1898 2685 2800 300 10483 2.46E-03 12.891 38 2800 2800 2800 300 8700 2.46E-03 10.70

53 29 59 35 193 630 726 735 300 2584 2.46E-03 3.18 630 735 1.365 3.1 4.2315 15.14 64.05 35 148.10252 28 58 34 735 418 1847 1891 300 5191 2.46E-03 6.38 735 1891 2.626 3.1 8.1406 15.14 123.23 35 284.92151 27 57 33 1891 998 2941 300 6130 2.46E-03 7.54 1891 2941 4.832 3.1 14.9792 15.14 226.75 35 524.27250 26 56 32 2941 3383 1898 1898 1994 300 12414 2.46E-03 15.27 2941 1994 4.935 3.1 15.2985 15.14 231.58 35 535.447555 31 61 37 1994 612 946 300 3852 2.46E-03 4.74 1994 946 2.94 3.1 9 .114 15.14 137.96 35 318.949 25 946 946 1274 1274 2800 300 7540 2.46E-03 9.27 946 946 1.892 3.1 5 .8652 15.14 88.79 35 205.28254 30 60 36 612 1274 1898 2685 300 6769 2.46E-03 8.33

PUNTOS DEAD SDEAD LL EQX EQY1 10.70 0.00 5.30 5.30 WTOTAL CUB 1715.72 1.88 29.56 -68.36 15.57 15.57 AREA TOTAL 113.344 12.89 0.00 6.38 6.38 W/M2 15.1376396 13.69 0.00 6.78 6.788 4.85 0.00 2.40 2.40 Sa 0.495

10 2.21 0.00 1.09 1.09 -114 1.88 29.56 0.00 15.57 15.5715 12.89 -148.10 6.38 6.3817 13.69 0.00 6.78 6.7819 4.85 0.00 2.40 2.4021 2.21 0.00 1.09 1.09

25 9.27 137.96 -68.36 72.88 72.8826 15. 27 226. 75 - 318. 99 119. 80 119. 8027 7.54 123. 23 - 535.45 64.73 64. 7328 6.38 64.05 -524.27 34.87 34.8729 3.18 -284.92 1.57 1.5730 8.33 88.79 0.00 48.07 48.0731 4. 74 231. 58 - 205. 28 116. 98 116. 9832 15. 27 231. 58 - 535. 45 122. 19 122. 1933 7. 54 226. 75 - 524. 27 115. 97 115. 9734 6.38 123. 23 - 284.92 64.16 64. 1635 3.18 64.05 -148.10 33.28 33.2836 8.33 88.79 -205.28 48.07 48.0737 4.74 137. 96 - 318.99 70.64 70. 6438 10.70 -148.10 5.30 5.3039 1.88 29.56 0.00 15.57 15.5740 12.89 0.00 6.38 6.3841 13.69 0.00 6.78 6.7842 4.85 0.00 2.40 2.4043 2.21 0.00 1.09 1.0944 1.88 29.56 0.00 15.57 15.5745 12.89 0.00 6.38 6.3846 13.69 0.00 6.78 6.7847 4.85 0.00 2.40 2.4048 2.21 0.00 1.09 1.0949 9.27 88.79 -205.28 48.54 48.5450 15. 27 231. 58 - 535. 45 122. 19 122. 1951 7. 54 226. 75 - 524. 27 115. 97 115. 9752 6.38 123. 23 - 284.92 64.16 64. 1653 3.18 64.05 -148.10 33.28 33.2854 8.33 -68.36 4.12 4.1255 4.74 137. 96 - 318.99 70.64 70. 6456 15. 27 231. 58 - 318. 99 122. 19 122. 1957 7. 54 226. 75 - 535. 45 115. 97 115. 9758 6.38 123. 23 - 524.27 64.16 64. 1659 3.18 64.05 -284.92 33.28 33.2860 8.33 88.79 -68.36 48.07 48.0761 4.74 137. 96 - 205.28 70.64 70. 64

3 63 .7 7 3 60 7. 72 32 2 1 96 5. 89 1 96 5. 89

3971.50 0.495


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La siguiente imagen muestra las deflexiones mximas por carga vertical:Deformacin carga muerta

Deformacin carga Viva

Deformacin carga Sismo

Deformacin General (ENV)


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Los valores mximos de las combinaciones de carga para las acciones de diseoson:

CARGAS CORTANTES Y MOMENTOS EN ELEMENTOS

CARGAS AXIALES EN ELEMENTOS


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Carga axial general

Carga axial tramo 1

Carga axial tramo 2


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Carga axial tramo 3

Carga axial tramo 4


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Carga axial tramo 5

El diseo de un elemento de la armadura a tensin o compresin segn el caso esel siguiente:

Zoom ampliado


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Las Cargas en cada uno de los elementos de la base son las siguientes:

A continuacin se presenta el proceso de revisin de uno de los elementos queconforma la cercha y que se encuentra sometido a esfuerzo axial de compresin:

Tramo 1 Carga -370,89 kgf Esta a traccin

Tramo 2 Carga -370,89 kgf Esta atraccin

Tramo 3 Carga -2919,77 kgf Esta atraccin

Tramo 4 Carga 1298,25 kgf Esta acompresin

Tramo 5 Carga 578,75 kgf Esta acompresin


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ANEXOS


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Algunas fotografas de la cercha analizada son las siguientes:


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