INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

“PROYECTO

T

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

OSCAR ALBERTO POMPOSO NERI

ING. FELIPE DE JESUS

1

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE

INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

“PROYECTO ESTRUCTURAL DE UNA NAVE INDUSTRIAL”

T E S I

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO MECANICO.

PRESENTA

OSCAR ALBERTO POMPOSO NERI

ASESORES DE TESIS:

ING. FELIPE DE JESUS GARCÍA MONROY

ING. CARLOS DARIO FLORES JAIMES

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

ESTRUCTURAL DE UNA NAVE INDUSTRIAL”

S:

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

MECANICO.

OSCAR ALBERTO POMPOSO NERI

GARCÍA MONROY

ING. CARLOS DARIO FLORES JAIMES

2

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

Dedicado a:

Mis padres que todo el tiempo me dedicaron su

vida para forjarme y animarme durante este largo

camino.

A ti hija que eres mi mejor regalo de graduación

y ahora eres mi vida así como a chicharito que

será mi nueva bendición. A mi esposa por el

apoyo con este final de mi carrera Myr.

Mis compadres del alma Monchis , Pablito,

Edgar, Mary, Guarneros, Checo, Auro, Víctor,

Roberto, Nicolás, Héctor así como los FORTES

y mis ex compañeros de Jumex.

3

INTRODUCCIÓN:

A lo largo de la carrera del Ingeniero Mecánico, se fueron obteniendo el conocimiento

de cada una de sus materias para poder formarnos como ingenieros y después poder

desarrollar y resolver problemas planteados en la vida cotidiana como son la puesta en

marcha de industrias, que apoyaran al desarrollo Nacional.

El conocimiento obtenido en los últimos tres siglos junto con las teorías y técnicas de

análisis desarrolladas, permiten al moderno ingeniero diseñar estructuras y maquinas

seguras y funcionales de tamaño y complejidad sin precedentes, teniendo en cuenta

tres requisitos indispensables: resistencia, rigidez y estabilidad de los diversos

elementos además que a nivel práctico en la industria es necesario cubrir otros

requisitos como costos y eficiencia.

El ingeniero mecánico encuentra en el acervo un campo de actividad muy interesante

y variado, resultante a la vez de una combinación de la mecánica, diseño estructural,

mecánica de materiales, estítica, dinámica, métodos numéricos, ciencia de los

materiales, procesos de manufactura, etc.

La ingeniería mecánica interviene de manera directa en todas las ramas de la

ingeniería, sus métodos son necesarios para sus diseñadores en todo tipo de

estructuras y maquinas como en toda rama del saber, hay conceptos que son

fundamentales para una comprensión satisfactoria de la materia.

4

INDICE

INTRODUCCION 1 OBJETIVO 2 JUSTIFICACION 3 UNIDAD I

CRITERIOS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL.

1.1 Diseño estructural. 5

1.2 Proceso del diseño estructural. 8

1.3 Herramientas de diseño. 13

1.4 Estados límite. 18

1.5 Acciones de diseño. 20

1.6 Resistencia de diseño. 22

UNIDAD II

DISEÑO ESTRUCTURAL EN ACERO.

2.1 Ventajas del acero como material estructural. 23

2.2 Desventajas del acero como material estructural. 24

2.3 Perfiles de acero. 25

2.4 Relaciones esfuerzo-deformación del acero estructural. 26

2.5 Diseño económico de miembros de acero. 29

2.6 Fallas en estructuras. 30

2.7 Exactitud de cálculos. 32

UNIDAD III

ESPECIFICACIONES, CARGAS Y MÉTODOS DE DISEÑO.

3.1 Especificaciones y códigos de construcción. 33

3.2 Cargas muertas. 34

3.3 Cargas vivas. 35

3.4 Filosofías del diseño y confiabilidad de las especificaciones LRFD. 36

3.5 AISC – Diseño con factores de carga y resistencia LRFD. 39

3.6 AISC – Diseño por esfuerzos permisibles (ASD). 40

3.7 AISC – Diseño plástico. 41

3.8 Por qué se recomienda utilizar el método LRFD? 42

3.9 Análisis de las estructuras. 43

5

UNIDAD IV

ANÁLISIS SÍSMICO.

4.1 Coeficientes y espectros de diseño sísmico. 45 4.2 Factores de seguridad – ASD y LRFD Comparados. 46

4.3 Elección del tipo de análisis 54 UNIDAD V

DISEÑO POR VIENTO. 5.1 Alcance. 57 5.2 Requisitos generales para el análisis y diseño estructural. 57 5.3 Clasificación de las estructuras según su importancia. 59 5.4 Efectos de viento que deben considerase 62 5.5 Procedimiento para determinar las acciones por viento. 64 5.6 Análisis estático. 70 UNIDAD VI

CONSIDERACIONES GENERALES.

6.1 Antecedentes. 74 6.2 Consideraciones prediales. 74 6.3 Colindancias. 74 6.4 Topografía. 75 6.5 Proyecto Arquitectónico. 75 6.6 Mecánica de suelos. 76 6.7 Proyecto estructural. 76 6.8 Reglamentos de diseño. 77 UNIDAD VII

CONSIDERACIONES DEL PROYECTO Y CALCULO ESTRUCTURAL

7.1 Levantamiento del terreno. 80 7.2 Mecánica de suelos. 86 7.3 Alcances. 90 7.4 Datos Generales de proyecto. 90 7.5 Criterios de estructuración del edificio 90 7.6 Criterios De calculo del edificio 91 7.7 Resultados de calculo 92

CONCLUSIONES 129

BIBLIOGRAFIA 130

6

OBJETIVO:

El objetivo principal de esta tesis es dar una introducción al análisis y diseño

estructural de una nave industrial, utilizando estructuras de acero. Se realiza para un

proyecto específico, pero se pretende que pueda ser utilizado como marco de

referencia para futuros proyectos, es enfocada para los estudiantes de ingeniería

mecánica que están estudiando la carrera o para aquellos ingenieros recién egresados

que se encuentran en un ámbito laboral.

En la realización de esta tesis y con el paso del tiempo y con el consecuente

desarrollo de Software y hardware, destinados a la solución de problemas estructurales,

se introduzca a un proceso viejo y deteriorado, sin embargo las investigaciones sobre

las cuales se basa esta tesis nos han demostrado que por la sencillez, tanto de

aprendizaje como de realización, es sumamente utilizado y conocido por los ingenieros

mecánicos dedicados al diseño estructural. Estas aportaciones hacen que esta tesis

esta realizada bajo bases solidas, que a pesar del paso del tiempo servirán al quehacer

estructural.

7

JUSTIFICACION

La siguiente tesis está enfocada en el diseño, proyecto y manufactura, en la utilización

del acero en estructuras y elementos mecánicos, el cual se desarrolla para poner en

práctica los conocimientos adquiridos en la carrera de ingeniería mecánica, a

desarrollar los conocimientos suficientes para culminar su preparación como ingeniero

mecánico, es decir el nivel de exigencia de esta tesis otorgara habilidades esenciales

para el desarrollo de una estructura de acero.

El porqué desarrollar específicamente este tema, es debido a que es un proyecto que

pondrá a prueba los conocimientos adquiridos en las materias de Estática, Dinámica,

Mecánica de los Materiales I, Mecánica de los Materiales II Proyecto Mecánico,

Estructuras, etc., y que puede ser de gran ayuda para desenvolverse en el área de la

iniciativa privada, pero más específicamente en el área de estructuras de acero.

Nave Industrial, desde que inicio la era industrial el hombre ha tenido la necesidad de

tener un espacio protegido de la intemperie e inclemencias del tiempo, donde puede

hacer uso de maquinaria y materia prima para elaborar productos de uso domestico,

agrícola, industrial, etc. En un principio la solución que se dio, fue la de construir

edificaciones de un solo techo de acuerdo a la tecnología de la época.

En la actualidad la industria requiere de edificios con mayores dimensiones libres,

versátiles y económicas.

Una de las clasificaciones de edificios los subdivide en tres categorías: edificios

comerciales de varios pisos, edificios de claros muy grandes y edificios de un solo piso

para uso industrial, de este tipo de edificios es del que se trata principalmente esta

tesis.

Estructuras de acero, Durante mucho tiempo el material que se ha utilizado es

la madera para fabricar armaduras, material que en algunos países es más

abundante y por lo tanto de menor costo inicial, a pesar de esto la madera

requiere de mayor costo en mantenimiento y es poco duradera, además su

resistencia es poco comparada con otros materiales que son fabricados como los

son, el concreto y el acero, los cuales se utilizan cada vez más en las construcciones.

8

De estos dos últimos el más empleado para construir edificios industriales es el

acero, por su gran cantidad de ventajas con respecto a las estructuras de

concreto reforzado como son: alta resistencia, uniformidad, elasticidad,

durabilidad, ductilidad, tenacidad, ampliaciones de estructuras existentes, etc.

Marcos rígidos, Los marcos rígidos de alma llena constituyen una

alternativa ventajosa en muchos casos para la construcción de naves

industriales. Sin embargo, la solución óptima de este tipo de marcos implica el

uso de barras de sección variable, con el objeto de reducir el volumen del acero

estructural y en consecuencia el costo de la estructura.

Es verdad que la relación volumen de material y costo no es directa, ya que en

ocasiones la adopción de miembros de sección variable involucra la

necesidad de operaciones constructivas más complejas, para cortar y armar el

acero que constituye este tipo de barra, por lo que bien puede suceder que lo que

se ahorre en volumen de acero, quede sobrepasado por el incremento de costo

de los procedimientos empleados en la fabricación de la estructura.

Cabe comentar que la observación anterior no es válida cuando se aplican

avances tecnológicos de punta en la fabricación de los marcos, ya que el empleo

de dispositivos automatizados y robotizados para el corte y la soldadura de placas,

permite que el ahorro en volumen se refleje en ahorros efectivos en el costo.

Por lo anterior el empleo de narcos de sección variable es una alternativa común en

las zonas industriales más desarrolladas de nuestro país, en donde es posible la

aplicación de las tecnologías más avanzadas ya mencionadas y por lo tanto se da una

reducción efectiva de los costos.

Es por ello que en la presente tesis se eligió tratar con la Nave Industrial a base de

marcos rígidos, columnas y vigas de acero estructural (A – 50).

9

UNIDAD I

CRITERIOS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL

1.1 DISEÑO ESTRUCTURAL.

El diseño estructural abarca las diversa actividades que desarrolla el Ingeniero

Mecánico para determinar la forma, dimensiones y características detalladas de una

estructura, o sea de aquella parte de una estructura que tiene como función

absorber las cargas solicitadas que se presentan durante las distintas etapas de su

existencia.

El diseño estructural se encuentra incluido en el proceso más general del proyecto de

una obra, en el cual se definen las características que debe tener la construcción

para cumplir de manera adecuada las funciones que está destinada a

desempeñar. Un requisito esencial para que la construcción cumpla sus funciones es

que no sufra fallas o mal comportamiento debido a su incapacidad para soportar

las cargas que sobre ella se imponen. Juntó con éste, deben cuidarse otros

aspectos, como los relativos al funcionamiento y a la habitabilidad, que en

general son responsabilidad de otros especialistas. Evidentemente, dada la

multitud de aspectos que deben considerarse, el proceso mediante el cual se crea

una nave Industrial moderna puede ser de gran complejidad.

Una Nave Industrial puede concebirse como un sistema, entendiéndose por un

sistema un conjunto de subsistemas y elementos que se combinan en forma ordenada

para cumplir con determinada función. Una Nave Industrial, por ejemplo, está

integrado por varios subsistemas: el de los elementos arquitectónicos para encerrar

espacios, el estructural, las instalaciones eléctricas, las sanitarias, las de

acondicionamiento de aire, etc. Todos estos subsistemas interactúan de modo que

en su diseño debe tenerse en cuenta la relación que existe entre ellos. Así, no puede

confiarse que lograr la solución óptima para cada uno de ellos, por separado,

conduzca a la solución óptima para la nave Industrial en su totalidad.

Con demasiada frecuencia esta interacción entre los subsistemas de una

construcción se considera sólo en forma rudimentaria. En la práctica tradicional el

diseño de una nave Industrial suele realizarse por la superposición sucesiva de los

proyectos de los diversos subsistemas que lo integran. El arquitecto propone un

proyecto arquitectónico a veces con escasa atención a los problemas estructurales

10

implícitos en su diseño. El estructurista procura adaptarse lo mejor posible a

los requisitos arquitectónicos planteados, con frecuencia con conocimiento

limitado de los requisitos de las diversas instalaciones. Por último, los proyectistas

de éstas, formulan sus diseños con base en los proyectos arquitectónicos y

estructurales.

El proyecto general definitivo se logra después de que los diversos especialistas han

hecho las correcciones y ajustes indispensables en sus proyectos respectivos.

En esta forma de proceder, cada especialista encargado de una parte del

proyecto tiende a dar importancia sólo a los aspectos del proyecto que le atañen, sin

tener en cuenta si la solución que está proponiendo es inadmisible o inconveniente

para el cumplimiento de otras funciones. En particular el ingeniero mecánico no debe

olvidar que, “Las obra no se construyen para que resistan. Se construyen para alguna

otra finalidad o función que lleva, como consecuencia esencial, el que la construcción

mantenga su forma y condiciones a lo largo del tiempo. Su resistencia es una

condición fundamental, pero no es la finalidad única, ni siquiera la finalidad

primaria.” Debe tener siempre presente que el proyecto no constituye un fin por sí

mismo, sino que representa sólo una parte del proceso que conduce a la construcción

de una obra terminada. Por tanto, lo importante es la calidad del resultado que se logre

y el proyecto será más satisfactorio en cuanto mejor contribuya a facilitar la

construcción de una obra adecuada. Por ello, deberá tener en mente que lo que se

proyecta se tendrá que construir y elegir las soluciones que mejor se ajusten a

los materiales y técnicas de construcciones disponibles.

La interacción con los contratistas responsables de la construcción es otro aspecto

importante. Es frecuente que éstos pidan y obtengan, una vez terminado el

proyecto, modificaciones importantes en las características arquitectónicas y

estructurales en función del empleo de un procedimiento constructivo que representa

claras ventajas de costos o de tiempos de ejecución, pero no se adapta al proyecto

que se ha elaborado. Esto da lugar a que se repitan partes importantes del proceso

de diseño o, más comúnmente, a que se realicen adaptaciones apresuradas por los

plazos de entrega ya muy cortos.

Un ejemplo frecuente de la situación anterior se da cuando el constructor propone

recurrir a un sistema de prefabricación mientras que en el proyecto original se previó

una solución a base de concreto colado en el lugar. Obviamente, esto implicaría

modificaciones sustanciales al proyecto estructural.

A pesar de sus evidentes inconvenientes, el proceso que en términos simplistas se

acaba de describir, es que se suele seguir, con resultados aceptables, en el

diseño de la mayoría de las construcciones. Sin embargo, en los últimos años,

11

dada la complejidad creciente de las obras, se ha iniciado una tendencia a

racionalizar el proceso de diseño recurriendo a los métodos de la ingeniería de

sistema. En esencia, se pretende aprovechar las herramientas del método científico

para hacer más eficiente el proceso de diseño. En particular, se pone énfasis en la

optimización de la obra en su totalidad. Una diferencia fundamental respecto al

enfoque tradicional del diseño es la consideración simultánea de la interacción de los

diversos subsistemas que integran una obra en una etapa temprana del proceso de

diseño, en lugar de la superposición sucesiva de proyectos.

La aplicación del la ingeniería de sistemas al diseño de obras ha conducido al diseño

por equipo. En este enfoque, bajo la dirección de un jefe o coordinador, un

grupo de especialistas colabora en la elaboración de un proyecto desde su

concepción inicial.

Aunque los aspectos sociales y ambientales pueden y deben ser considerados en

el diseño por los propios proyectistas o por especialistas en las materias, hay una

tendencia cada vez más acentuada a buscar la intervención en el proceso de diseño de

una Nave Industrial, de los usuarios y de representantes de los grupos sociales

afectados.

Aunque en los aspectos estructurales esto quizá no tenga gran importancia, en las

decisiones generales sobre las características de una obra la participación de los

usuarios industriales puede ser esencial. No pocos proyectos de Naves Industriales

han fracasado por haberse basado en lo que el proyectista consideraba adecuado,

pero no en lo que el futuro el industrial hubiere deseado. Situaciones semejantes

pueden presentarse en el proyecto de un hospital o de una escuela.

Cualquiera que sea la metodología seguida en el diseño de una obra, el ingeniero

mecánico debe saber encuadrar su actividad dentro del proceso general del

proyecto. Al igual que no debe imponer soluciones que resulten inconvenientes o

ineficientes para el funcionamiento general de la construcción, debe pugnar para

que no se le impongan esquemas o restricciones que conduzcan a un diseño

estructural poco racional o antieconómico.

Los principios y fundamentos del diseño estructural son comunes al proyecto de una

gran cantidad de artefactos. Una silla, un automóvil, un barco y un puente deben

soportar diversas condiciones de solicitación para cumplir adecuadamente sus

funciones. La mecánica y la resistencia de materiales son bases teóricas comunes

que rigen la seguridad de todos esos sistemas. Aquí nos referimos sólo a las

estructuras de las construcciones que entran en el ámbito de la ingeniería mecánica

éstas son muy variadas. Recordando que en la presente tesis está enfocado a las

12

Naves Industriales. En cada una de estas construcciones existen muy diversos

problemas que admiten una amplia gama de soluciones.

La enseñanza y la práctica del diseño estructural se han enfocado excesivamente al

proyecto de estructuras y construcciones. Sin embargo, el desarrollo tecnológico de

un país está sometido a la posibilidad de proyectar y realizar grandes

obras de infraestructura y de tipo industrial, las cuales deben proyectarse para

condiciones de operación.

1.2 PROCESO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL

El diseño es un proceso creativo mediante el cual se definen las características de

un sistema de manera que cumpla en forma óptima con sus objetivos. El

objetivo de un sistema estructural es resistir las fuerzas a las que va a estar

sometido, sin colapso o mal comportamiento. Las soluciones estructurales están

sujetas a las restricciones que surgen de la interacción con otros aspectos del

proyecto y a las limitaciones generales de costo y tiempo de ejecución.

Conviene resaltar el carácter creativo del proceso. La bondad del proyecto

depende esencialmente del acierto que se haya tenido en imaginar un sistema

estructural que resulte el más idóneo para absorber los efectos de las acciones

exteriores a las que va a estar sujeto. Los cálculos y comprobaciones posteriores

basados en la teoría del diseño estructural sirven para definir en detalle las

características de la estructura y para confirmar o rechazar la viabilidad del sistema

propuesto. Podrá lograrse que una estructura mal ideada cumpla con los requisitos de

estabilidad, pero seguramente se tratará de una solución antieconómica o anti

funcional. Esta parte creativa del proceso no está divorciada del conocimiento de

la teoría estructural. La posibilidad de intuir un sistema estructural eficiente e

imaginarlo en sus aspectos esenciales, es el fruto sólo en parte de cualidades innatas;

es resultado también de la asimilación de conocimientos teóricos y de la experiencia

adquirida en el ejercicio del proceso de diseño y en la observación del

comportamiento de las estructuras. Lo que comúnmente se denomina buen criterio

estructural no está basado sólo en la intuición y en la práctica, sino también debe estar

apoyado en sólidos conocimientos teóricos.

Desgraciadamente resulta muy difícil enseñar “criterio estructural” en libros de texto

y en las aulas de clase. Es mucho más fácil enseñar fundamentos teóricos, métodos

analíticos y requisitos específicos. Los autores de libros y los profesores sólo alcanzan

en el mejor de los casos a transmitir al alumno algunos destellos de su experiencia,

los cuales llegan a formar parte de su conocimiento asimilado. No debe sin

embargo desilusionarse el estudiante por sentir, al terminar sus estudios, una gran

inseguridad en la aplicación del acervo de conocimientos teóricos que ha adquirido.

13

El ejercicio de la práctica y el contacto prolongado con los especialistas más maduros

son requisitos necesarios para confirmar su criterio.

Cualquier intento de clasificación o subdivisión del proceso de diseño resulta

hasta cierto punto arbitrario. Sin embargo, es útil para entender su esencia,

considerar tres aspectos fundamentales: la estructuración; en análisis y el

dimensionamiento.

Estructuración. En esta parte del proceso se determinan los materiales de los que

va a estar constituida la estructura, la forma global de ésta, el arreglo de sus

elementos constitutivos y sus dimensiones y características más esenciales,

es está la parte fundamental del proceso. De la correcta elección del sistema o

esquema estructural depende más que de ningún otro aspecto la bondad de los

resultados. En esta etapa es donde desempeñaran un papel preponderante la

creatividad y el criterio.

Análisis. Se incluyen bajo esta denominación las actividades que llevan a la

determinación de la respuesta de la estructura ante las diferentes acciones

exteriores que puedan afectarla, es decir se trata de determinar los efectos de las

cargas que pueden afectar a la estructura durante su vida útil. Para esta determinación

se requiere lo siguiente:

a) Modelar la estructura, o sea idealizar la estructura real por medio de un

modelo teórico factible de ser analizado con los procedimientos de cálculo

disponibles. Un ejemplo es la idealización de un edificio de columnas, vigas y

losas de concreto por medio de un sistema de marcos planos formados por

barras de propiedades equivalentes. En esta idealización se comenten con

frecuencia errores graves, tales como ignorar elementos que contribuyen a la

respuesta de la estructura o emplear un modelo demasiado simplista que no

representa adecuadamente la respuesta estructural. La modelación incluye la

definición de diversas propiedades de los elementos que componen al

modelo. Esto implica la recolección de diversos datos y la suposición de

otras características, como son las propiedades elásticas de los

materiales, incluyendo el suelo de cimentación, y las propiedades

geométricas de las distintas secciones. Los valores puestos en etapas iníciales

del proceso para estas propiedades, pueden tener que modificarse e irse

refinando a medida que se obtienen los resultados de análisis.

14

b) Determinar las acciones de diseño. En muchas situaciones las cargas y los

otros agentes que introducen esfuerzos en la estructura están definidos por

los códigos y es obligación del ingeniero mecánico sujetarse a ellos. Es

frecuente sin embargo, que quede como responsabilidad del proyectista la

determinación del valor de diseño de alguna carga, o al menos la obtención de

datos ambientales locales que definen la acción de diseño, la forma de obtener

un modelo de ésta, generalmente a través de un sistema de fuerzas estáticas

de efecto equivalente y la forma de combinar estás fuerzas con las

correspondientes a otras acciones. Cabe hacer notar que en esta etapa se

suelen tener grandes incertidumbres y se llegan a cometer errores graves que

dan el traste con la precisión que se pretende guardar en las etapas

subsecuentes. Basta como ejemplo reflexionar sobre el grado de

aproximación con que se puede determinar la acción máxima debida a sismo

que puede presentarse sobre una nave Indust r ia l o el efecto de la ola

máxima que pueda actuar sobre una escollera, durante la vida útil de estas

estructuras.

c) Determinar los efectos de las acciones de diseño en el modelo de la

estructura elegida. En esta etapa, que constituye el análisis propiamente

dicho, se determinan las fuerzas internas (momentos flexionantes y de torsión,

fuerzas axiales y cortantes), así como las flechas y deformaciones de la

estructura. Los métodos de análisis suponen en general un comportamiento

elástico lineal. Los métodos de análisis han evolucionado en las últimas

décadas mucho más que otros aspectos de diseño; el desarrollo de los

métodos numéricos asociado al empleo de las computadoras ha hecho posible

analizar con precisión modelos estructurales cada vez más complejos. Aunque

no se pretende menospreciar las ventajas de realizar análisis refinados de un

modelo estructural que represente en forma realista y detallada de una

estructura, cabe llamar la atención sobre la tendencia que se aprecia cada vez

más notoria en muchos ingenieros, de buscar en esta etapa un grado de

precisión incongruente con la poca atención que prestan a la

determinación del modelo de la estructura y del sistema de cargas.

Dimensionamiento. En esta etapa se define en detalle la estructura y se revisa

si cumple con los requisitos de seguridad adoptados. Además, se elaboran los

planos y especificaciones de construcción de la estructura. Nuevamente, estas

actividades están con frecuencia muy ligadas a la aplicación de uno o más códigos

que rigen el diseño de la estructura en cuestión. Los códigos y procedimientos son

15

peculiares del material y sistema de construcción elegido, lo que constituye un aspecto

general son los criterios de seguridad de la estructura y la estructura de los

procedimientos de diseño.

El haber distinguido en el proceso de diseño tres partes que indican una secuencia

lógica, nos lleva a pensar que en el diseño se sigue un proceso unidireccional en

el que primero se imagina una estructura, luego se analiza y finalmente se

dimensiona. El proceso real es mucho más complejo e interactivo; implica pasar

varias veces por cada etapa a medida que la estructura evoluciona hacia su forma

final.

El análisis de la secuencia temporal con que se realiza el diseño de una estructura

permite distinguir las fases siguientes:

1) Planteamiento de soluciones preliminares. Se requiere primero una

definición clara de las funciones que debe cumplir la estructura y de las

restricciones que impone el entorno físico y de las que fijan otros aspectos

del proyecto. Es necesario tener datos al menos preliminares sobre

condiciones ambientales y requisitos del proyecto. En esta fase es

particularmente necesaria la interacción entre el estructurista y los

especialistas de los demás subsistemas de la obra para definir las

necesidades básicas de cada uno de ellos y para analizar las soluciones

generales que se vaya proponiendo. De una evaluación esencialmente

cualitativa surge un número limitado de soluciones que tienen perspectivas de

resultar convenientes. Esta evaluación se basa con frecuencia en

comparaciones con casos semejantes y en algunos cálculos muy simplistas.

Es en esta fase donde juega un papel preponderante el criterio del proyectista

estructural:

2) Evaluación de soluciones preliminares. Se realizan las actividades que, según

se ha mencionado anteriormente, constituyen las etapas del proceso de diseño

estructural, pero a un nivel tosco que se denomina comúnmente “pre diseño”,

en el cual se pretende definir las características esenciales de la estructura

en diversas alternativas, con el fin de identificar posibles problemas en su

adopción y, principalmente, de poder cuantificar sus partes y llegar a una

estimación de los costos de las diversas soluciones. La elección de la opción

más conveniente no se basará solamente en una comparación de los costos

de la estructura en cada caso; hay que considerar también la eficacia con la

16

que está se adapta a los otros aspectos del proyecto, la facilidad de obtención

de los materiales necesarios, la rapidez y grado de dificultad de las técnicas

de construcción involucradas, los problemas relacionados con el

mantenimiento, el aspecto estético de la solución y, en obras de gran

importancia, también diversos factores de tipo socioeconómico, como la

disponibilidad de recursos nacionales y la contribución a la generación de

empleos.

3) Diseño detallado. Una vez seleccionado la opción más conveniente, se procede

a definirla hasta su detalle, realizando de manera refinada todas la etapas del

proceso; aún aquí es necesario con frecuencia recorrer más de una vez las

diversas etapas, ya que alguna de las características que se habían supuesto

inicialmente pueden tener que modificarse por los resultados del

dimensionamiento y hacer que se repita total o parcialmente en análisis.

4) Transferencia de los resultados de diseño. No basta haber realizado un

diseño satisfactorio; es necesario que sus resultados sean transmitidos a

sus usuarios, los constructores, en forma clara y completa. La elaboración de

planos que incluyan no sólo las características fundamentales de la estructura,

sino la solución de los menores detalles, la especificación de los materiales y

procedimientos y la elaboración de una memoria de cálculos que facilite la

implantación de cualquier cambio que resulte necesario por la ocurrencia de

condiciones no previstas en el diseño, son partes esenciales del proyecto.

5) Supervisión. Puede parecer injustificado considerar la supervisión de la obra

como una fase del proceso del diseño. Su inclusión aquí tiene como objetivo

destacar la importancia de que las personas responsables del proyecto

estructural comprueben que se esté interpretando correctamente su diseño y,

sobre todo, que puedan resolver los cambios y adaptaciones que se presentan

en mayor o menor grado en todas las obras, de manera que éstos no alteren

la seguridad de la estructura y sean congruentes con los criterios de

cálculos adoptados.

La importancia que tenga cada una de las fases identificadas depende de las

características particulares de casa obra. Cuando se trata de una estructura ya

familiar, es posible identificar por experiencia la solución más conveniente y proceder

a su diseño con un mínimo de interacciones. En obras novedosas y grandes, es

fundamental dedicar gran atención a las dos primeras fases.

17

1.3 HERRAMIENTAS DE DISEÑO

Los procedimientos para el diseño estructural han mostrado una tendencia muy

acelerada hacia el refinamiento de las técnicas numéricas empleadas. Vale la

pena reflexionar sobre esta tendencia, para ejercer un juicio crítico acerca de los

procedimientos que conviene emplear para un problema dado.

Haciendo un poco de historia, la aplicación de métodos cuantitativos al diseño es

relativamente reciente. En efecto sólo desde hace poco más de un siglo, se han

diseñado estructuras revisando en forma más o menos completa los esfuerzos en sus

miembros. Las primeras aplicaciones fueron a puentes de grandes claros. Los

conceptos de teoría de la elasticidad y de resistencia de materiales estaban ya muy

desarrollados para esas fechas. Sin embargo, su aplicación al proyecto de estructuras

era prácticamente desconocida; en el menor de los casos se limitaba la revisión de

algún problema muy particular dentro del funcionamiento global de la estructura.

Como ejemplo, la teoría que se usa actualmente para el dimensionamiento de

columnas, incluyendo los efectos de pandeo, se basa con pocas adaptaciones, en la

solución teórica desarrollada por Leonard Euler hacia mediados del siglo XVIII. Sin

embargo, Euler nunca pensó en usar esa teoría para el diseño de columnas

reales; su solución representó para él sólo un ejercicio académico, un ejemplo de la

aplicación de máximos y mínimos, no fue sino hasta un siglo después cuando se le

dio la teoría de Euler aplicación en el diseño estructural.

Anteriormente las estructuras se proyectaban con bases exclusivamente empíricas, a

partir de la extrapolación de las construcciones anteriores y de la intuición basada

en la observación de la naturaleza. Hay que reconocer que la naturaleza ha sido

artífice de gran número de “estructuras” muy eficientes y que llegan a un grado

extremo de refinamiento en cuanto a su funcionamiento estructural. Baste como

ejemplo pensar un poco en el grado en que la forma y propiedades de los materiales

de un árbol o del esqueleto de los diversos animales están adaptados a las

solicitaciones que deben soportar, para apreciar este hecho.

La naturaleza ha logrado tales resultados a partir del proceso que, en ingeniería, se

llama de aproximaciones sucesivas, o de prueba y error y que, en su contexto, se

conoce como evolución natural. Los cambios que mejoran la eficiencia de un sistema

natural tienden a permanecer, mientras que los contrarios a la eficiencia llevan a la

falla y a la desaparición del sistema así modificado. Lo anterior implica que

para llegar a los sistemas asombrosamente refinados que ahora admiramos se

requirieron miles de años y millones de fallas. A otra escala, algo ha parecido ha

18

sucedido con las antiguas obras del hombre: llegar a algunas de las formas que

admiramos por su atrevimiento estructural implicó muchos intentos fallidos que

fueron definiendo los límites dentro de los que se podían resolver en forma segura

algunos tipos de estructuras con determinados materiales.

Los primeros intentos de sistematización del proceso de diseño fueron el

establecimiento de reglas geométricas que debían observarse para materiales y

elementos constructivos dados, con el objetivo de asegurar su estabilidad. Muchas

de esas reglas fueron recopiladas por Vitrubio en el siglo I. Fueron de uso común

hasta el renacimiento, cuando la popularización del método experimental condujo a

procesos más refinados. Aún se aprendía empíricamente, pero se pretendía

sistematizar el proceso; esto incluía la realización de experimentos de manera

controlada para deducir de ellos de reglas de validez general. Ciertas soluciones para

favorece la estabilidad de las estructuras evidencian un claro conocimiento de la

estática y de la resistencia de materiales, sin embargo la incorporación de

bases teóricas sólidas y generales a los procedimientos de diseño ha sido muy lenta y

puede considerarse al diseño estructural como un producto de este siglo.

Con frecuencia se ha externado la opinión de que no se justifica el empleo de los

refinados métodos de diseño a los que se suele recurrir en la actualidad, dado que sin

ellos se pudieron realizar estructuras extraordinariamente eficientes y que han

durado siglos, bastando para ello únicamente la intuición, el buen sentido estructural y

la experiencia del comportamiento de estructuras previas. De lo expuesto

anteriormente debe parecer evidente que el procedimiento empírico tiene la grave

limitación de que es confiable sólo si se trata de estructuras esencialmente similares

a otras ya existentes y comprobadas y que resulta muy peligroso extrapolar la

experiencia a condiciones diferentes a las previas. El empleo del procedimiento de

prueba y error es una forma muy costosa de ir afinando el diseño de estructuras

reales. La intuición y el buen sentido estructural son bases esenciales de un buen

diseño, pero sólo la justificación teórica de lo que se ha imaginado por ese medio,

puede dar lugar a una estructura confiable. La experimentación en estructuras debe

dejarse para el laboratorio o para el estudio de prototipos y no hacerse en las

construcciones.

Actualmente el ingeniero mecánico cuenta para apoyar su intuición esencialmente

con tres tipos de ayuda: los métodos analíticos, las normas y manuales,

y la experimentación. Deben considerarse estás como herramientas que ayuden y

facilitan el proceso mental a través del cual se desarrolla el diseño y no como la

esencia del diseño mismo que puede sustituir el proceso creativo, el razonamiento

lógico y el examen crítico del problema.

19

Los métodos analíticos han tenido un desarrollo extraordinario en las últimas

décadas. Se cuenta con procedimientos de cálculo de solicitaciones en modelos

sumamente refinados de estructuras muy complejas, los cuales deben de tomar en

cuenta efectos como la no linealidad del comportamiento de los materiales, la

interacción de la estructura con el suelo y el comportamiento dinámico. No hay que

olvidar, sin embargo, que lo que analizan estos métodos son “modelos” o sea

idealizaciones matemáticas tanto de la estructura misma, como de las acciones a

las que está sujeta y de los materiales de los que está compuesta. Aunque por

regla general siempre debe tenderse al empleo de los métodos de análisis que

mejor representen el fenómeno que se quiere estudiar, conviene llamar la

atención acerca del peligro que representa que un proyectista poco familiarizado

con un procedimiento de análisis muy refinado, pierda el sentido físico del

problema que está resolviendo, que no sepa determinar de manera adecuada los

datos que alimenten el modelo y que no tenga sensibilidad para juzgar sobre si los

resultados que está obteniendo son o no realistas.

En los que concierne al segundo tipo de herramientas, la experiencia acumulada a

través de la solución analítica de un gran número de problemas, de la

observación del comportamiento de las estructuras reales y de la experimentación e

investigación realizadas en ese campo, está vaciada en una gran variedad

de códigos, recomendaciones, especificaciones y manuales que constituyen un

apoyo insustituible para el proyectista. Desde la definición de las cargas de diseño y

de los otros datos básicos de diseño, hasta la elección de los métodos de análisis

más adecuados y su solución sistematizada para un número de casos particulares

y hasta la determinación de las características de los elementos estructurales

necesarios para cumplir con determinadas condiciones de carga y la definición de

muy diversos detalles de la estructura, se pueden encontrar en esos

documentos, lo que simplifica extraordinariamente la labor de diseño. Debe sin

embargo prevenirse contra el empleo indiscriminado de esas herramientas; el

proyectista debe ejercer su juicio para determinar si su caso particular cumple

con las hipótesis y limitaciones con que se elaboraron las tablas, gráficas o

especificaciones generales.

La práctica del diseño estructural tiende en una forma natural hacia una creciente

automatización, impulsada aceleradamente por la popularización del empleo

de las computadoras. Es común el empleo de programas de cómputo en el análisis

estructural y su uso está difundiendo también en la etapa de dimensionamiento, hasta

llegar a la elaboración misma de los planos estructurales y de las especificaciones.

Este proceso es sin duda benéfico y va a reanudar en una mayor eficacia y

precisión en el diseño, en cuanto se emplee con cordura. Buena parte del tiempo

de un proyectista en una oficina de diseño estructural se dedica a la realización de

20

cálculos rutinarios y a la preparación de detalles más o menos estandarizados. Al

recurrir a procedimientos automatizados de cálculos, se libera al proyectista de

esas tareas rutinarias y se le permite dedicar su atención a los problemas

fundamentales de la concepción de la estructura y de la solución de sus aspectos

básicos, así como la revisión de resultados. Es motivo, sin embargo, de gran

preocupación observar lo que sucede en diversas oficinas de proyectos, donde la

implantación de sistemas automatizados de análisis y dimensionamiento ha dado

lugar a la aparición de una nueva clase de empleo subprofesional para el ingeniero,

el del “codificador”, quien tiene que preparar datos de las cargas y las propiedades

de la estructura de acuerdo con ciertas reglas preestablecidas e introducirlas en un

sistema de computo. Como resultado del proceso recibe alguno cientos de hojas

de computadora entre cuyos cientos de miles de números debe elegir unos cuantos

que le sirven para revisar si cumplen con lo que un “instructivo de salida” le indica. En

otros casos recibe ya las características finales de la estructura en sus aspectos

generales o hasta su mayor detalle. No se busca en esos casos eliminar labores

rutinarias al ingeniero, sino eliminar al ingeniero, realizar el proyecto sin necesidad de

un director pasante; el autómata no es en ese caso sólo la computadora sino

también su usuario. Los más grandes errores se comenten cuando el responsable del

proyecto pierde el control sobre el significado de los números que están generando a

todo lo largo del proceso.

Tanto en lo que se refiere al empleo de manuales y ayudas de diseño, como al de los

programas de cómputo, el ingeniero mecánico debería tener grabados en su mente

los siguientes mandamientos:

Nunca uses una de esas herramientas si no sabes en que teoría se basa,

qué hipótesis tiene implícitas y qué limitaciones existen para su uso.

Después de asegurarte que es aplicable a tu caso particular, cuida que

puedas obtener los datos que se requieran para su empleo y pon atención en

emplear las unidades correctas.

Una vez obtenidos los resultados, examínalos críticamente, ve si hace sentido; si

es posible compruébalos con otro procedi0miento aproximado, hasta que

estés convencido de que no hay errores gruesos, en el proceso.

Analiza qué aspectos no han sido tomados en cuenta en ese proceso y

asegúrate que no alteren el diseño. Por ejemplo, ninguna de esas herramientas

suele tomar en cuenta concentraciones de esfuerzos en los puntos de aplicación

de las cargas o en irregularidades locales; si se dan estas condiciones en

tu estructura, revídelas por separado.

21

Una valiosa ayuda para el proceso de diseño puede obtenerse a través de la

experimentación; se trata de estudiar los fenómenos, ahora no a través de

modelos analíticos de la estructura, sino a través de modelos físicos de la misma. Esto

puede llevarse a muy diversos niveles. En ocasiones resulta muy útil para entender

un aspecto parcial de cómo responde una estructura ante determinado tipo de

carga, hacer un modelo muy simplista de ella, a base de palitos de madera de

balsa o de las piezas de un mecano por ejemplo, y aplicarle empujes con las

manos. No se trata de obtener determinaciones cuantitativas de la respuesta, sino

de lograr una representación física de la manera en que se deforma la estructura.

Esto resulta para algunas mentes menos dadas al razonamiento abstracto más

convincente y confiable que los resultados de un modelo similar resuelto

analíticamente.

Una forma mucho más refinada de proceder es a través del ensaye de un modelo a

escala de la estructura, o de parte de ella. En este caso las dimensiones, las

propiedades de los materiales y las cargas en el modelo se determinan siguiendo

los requisitos estrictos fijados por relaciones deducidas de una teoría llamada

análisis dimensional. De esta manera, la respuesta del modelo ante determinado

sistema de carga, medida en términos de desplazamientos o deformaciones, se puede

relacionar con la de la estructura real y sacar de ello conclusiones acerca de la bondad

del diseño. Nuevamente, este método tiene la ventaja de permitir una observación

objetiva y física del fenómeno. Sin embargo, la necesidad de emplear reducciones

muy grandes en la escala del modelo con respecto a la estructura real lleva, por los

requisitos del análisis dimensional, al empleo de materiales que tienen

propiedades mecánicas radicalmente distintas en el modelo con respecto a las del

prototipo, por lo cual difícilmente puede representarse el comportamiento de la

estructura más allá de un intervalo inicial lineal. Esto, junto con la dificultad de

reproducir fielmente la estructura es sus mínimos detalles que puedan influir

significativamente en la respuesta estructural, hace que difícilmente pueda obtenerse

en modelos físicos resultados más confiables de los que se obtienen por medio de

modelos analíticos.

Actualmente están disponibles sistemas de cómputo que permiten generar una gran

variedad de modelos estructurales y analizar su respuesta ante una gran

variedad de condiciones de carga. Estos sistemas permiten visualizar en forma

gráfica los modelos y generar de manera automática muchas de las propiedades

geométricas y mecánicas requeridas para el análisis. También cuentan con post-

procesadoras de resultados que generan representaciones gráficas de las

configuraciones de deformaciones y de esfuerzos, o aun de las formas de vibrar las

estructuras sujetas a efectos dinámicos. La mayoría de estos sistemas de cómputo

están basados en la técnica de elementos finitos. La complejidad de los problemas y el

22

número de ecuaciones simultáneas que estos sistemas pueden resolver son

asombrosos. Un ejemplo lo constituye el modelo de la catedral de la ciudad de México

que cuenta con 9000 elementos finitos y cuyo análisis requiere la solución de

3000 ecuaciones simultáneas. La posibilidad de obtener la distribución de esfuerzos a

la largo de la estructura para los efectos del peso propio, ha hecho caer en desuso

los estudios sobre modelos físicos para análisis de esfuerzos, como los modelos

foto elásticos muy en voga hace algunas décadas.

Casos en que los modelos físicos a escala pequeña tienen todavía vigencia son, por

ejemplo, la determinación de los efectos de viento en una estructura de forma

geométrica compleja, algunos análisis de efectos dinámicos, y en general en todos

aquellos en que no se cuente todavía con una modelación teórica confiable del

fenómeno.

Otro tipo de estudios experimentales son los que se realizan en prototipos de

estructuras o de parte de ellas. En estos casos se puede reproducir la estructura

con los materiales reales, con los mismos procedimientos constructivos y con todos

sus detalles, por tanto se comparativa se presenta de manera mucho más compleja y

confiable de lo que pueda hacerse en un modelo analítico. Los especímenes resultan

sin embargo muy costosos y se justifican sólo para estructuras repetitivas de gran

importancia.

Una modalidad de este tipo de estudios son las pruebas de carga en que la

estructura misma se somete a cargas que reproducen las que deben soportar su

operación normal o ante condiciones extraordinarias. Esto constituye una

comprobación directa de la seguridad de la estructura. Estas pruebas tienen el

inconveniente de ser costosas, de que resulta difícil de reproducir de manera realista el

efecto de las muy diversas acciones que pueda afectar la estructura y de que se pone

en peligro de falla la estructura misma. Los reglamentos exigen en general que

algunos tipos de estructuras de capital importancia se sometan a

comprobaciones físicas de su capacidad a través de pruebas de cargas realizadas en

forma estándar.

1.4 ESTADO LIMITE

Toda Nave Industrial debe contar con un sistema estructural que permita el

flujo adecuado de las fuerzas que generan las distintas cargas, para que dichas fuerzas

puedan ser transmitidas de manera continua y eficiente hasta la cimentación. Debe

contar además con una cimentación que garantice la correcta transmisión de dichas

fuerzas al subsuelo.

23

Toda estructura y cada una de sus partes deben diseñarse para cumplir con

los requisitos básicos siguientes:

I. Tener seguridad adecuada contra la aparición de estados limite de falla

posible ante la combinación de cargas más desfavorables que puedan

presentarse durante su vida esperada.

II. No rebasar ningún estado límite de servicio ante combinaciones de cargas que

no corresponden a condiciones normales de operación.

Estado límite de falla. Se considera estado limite de falla cualquier situación que

corresponda al agotamiento de la capacidad de carga de la estructura o de cualquiera

de sus componentes, incluyendo la cimentación, o al hecho de que ocurran daños

irreversibles que afecten significativamente su resistencia ante nuevas aplicaciones de

carga.

Es importante tener conciencia que las estructuras se van agotando, por ejemplo

cada sismo que resiste una estructura le resta 10% de su capacidad de carga, por otro

lado el concreto tiene una duración de entre 50 y 80 años, a partir de entonces su

capacidad de resistencia se reduce.

24

Estado límite de servicio. Se considerara como estado limite de servicio

la ocurrencia de desplazamientos, agrietamientos, vibraciones o daños que afecten el

correcto funcionamiento de la edificación, pero que no perjudiquen su capacidad

para soportar cargas.

1.5 ACCIONES DE DISEÑO

Por acciones se entiende lo que generalmente se denominan cargas. Pero

esta designación más general incluye a todos los agentes externos que inducen en la

estructura fuerzas internas, esfuerzos y deformaciones. Por tanto, además de las

cargas propiamente dichas, se incluye las deformaciones impuestas, como los

25

hundimientos de la cimentación y los cambios volumétricos, así como los efectos

ambientales de viento, temperatura, corrosión, etcétera.

En el diseño de toda estructura deben tomarse en cuenta los efectos de las

cargas muertas, de las cargas vivas, del sismo y del viento, cuando este último sea

significativo.

Cuando sean relevantes, deben tomarse en cuenta los efectos producidos por otras

acciones, como los empujes de tierras y líquidos, los cambios de

temperatura, las contracciones de los materiales, los hundimientos de los apoyos y las

demandas originadas por el funcionamiento de maquinaria y equipo que no estén

tomadas en cuenta en las cargas.

Se considerarán tres categorías de acciones, de acuerdo con la duración en

que obren sobre las estructuras con su intensidad máxima.

Estas son:

a) Las acciones permanentes. Son las que obran en forma continua sobre la

estructura y cuya intensidad varía poco con el tiempo. Las principales acciones que

pertenecen a esta categoría son: la carga muerta; el empuje estático de suelos y

de líquidos y las deformaciones y desplazamientos impuestos a la estructura que

varían poco con el tiempo, como los debidos a preesfuerzo o a movimientos

diferenciales permanentes de los apoyos.

b) Las acciones variables. Son las que obran sobre la estructura con una

intensidad que varía significativamente con el tiempo. Las principales acciones que

entran en esta categoría son: la carga viva; los efectos de temperatura; las

deformaciones impuestas y los hundimientos diferenciales que tengan una

intensidad variable con el tiempo, y las acciones debidas al funcionamiento de

maquinaria y equipo, incluyendo loso efectos dinámicos que pueden presentarse

debido a vibraciones, impacto o frenado; y

c) Las acciones accidentales. Son las que no se deben al funcionamiento normal

de la edificación y que pueden alcanzar intensidades significativas sólo durante lapsos

breves. Pertenecen a esta categoría: las acciones sísmicas; los efectos del viento; las

26

cargas de granizo; los efectos de explosiones, los incendios y otros fenómenos que

puedan presentarse en casos extraordinarios. Será necesario tomar precauciones

en las estructuras, en su cimentación y en los detalles constructivos, para evitar

un comportamiento catastrófico de la estructura para el caso de que ocurran estas

acciones.

En la seguridad de una estructura debe verificarse para el efecto combinado de todas

las acciones que tengan una probabilidad no despreciable de ocurrir

simultáneamente, considerándose dos categorías de combinaciones.

Las fuerzas internas y las deformaciones producidas por las acciones se

determinarán mediante un análisis estructural realizado por un método reconocido que

tome en cuenta las propiedades de los materiales ante los tipos de carga

que se estén considerando.

1.6 RESISTENCIA DE DISEÑO

Se entenderá por resistencia a la magnitud de una acción, o de una combinación de

acciones, que provocaría la aparición de un estado límite de falla de la

estructura o cualesquiera de sus componentes.

La resistencia de diseño se determinará por procedimientos analíticos basados en

evidencia teórica y experimental, o con procedimientos experimentales.

La determinación de la resistencia de diseño por procedimientos experimentales

podrá llevarse a cabo por medio de ensayes diseñados para simular, en modelos

físicos de la estructura o de porciones de ella.

Cuando se trate de estructuras o elementos estructurales que produzcan en forma

industrializada, los ensayes se harán sobre muestras de la producción o de

prototipos. En otros casos los ensayes podrán efectuarse sobre modelos de la

estructura en cuestión.

La selección de las partes de la estructura que se ensayen y del sistema de carga que

se aplique deberá hacerse de manera que se obtengan las condiciones más

desfavorables que puedan presentarse en la práctica, pero tomando en cuenta la

interacción con otros elementos estructurales.

27

Con base en los resultados de los ensayes, se deducirá una resistencia de diseño,

tomando en cuenta las posibles diferencias entre las propiedades mecánicas y

geométricas medidas en los especímenes ensayados y las que puedan esperarse en

las estructuras reales.

Se revisará que las distintas combinaciones de acciones y para cualquier estado

límite de falla posible, la resistencia de diseño sea mayor o igual al efecto de las

acciones que intervengan en la combinación de cargas en estudio, multiplicado por

los factores de carga correspondientes.

También se revisará que bajo el efecto de las posibles combinaciones de acciones

sin multiplicar por factores de carga, no rebase algún estado límite de servicio.

28

UNIDAD II

DISEÑO ESTRUCTURAL EN ACERO

2.1 VENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL

Alta resistencia. La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será

relativamente bajo el peso de las estructuras; esto es de gran importancia en

puentes de grandes claros, en edificios altos y en estructuras con condiciones

deficientes en la cimentación.

Uniformidad. Las propiedades del acero no cambian apreciablemente en el tiempo

como es el caso de las estructuras de concreto reforzado.

Elasticidad. El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de diseño

que la mayoría de los materiales, gracias a que sigue la ley de Hooke hasta

esfuerzos bastante altos. Los momentos de inercia de una estructura de acero

pueden calcularse exactamente, en tanto que los valores obtenidos para una

estructura de concreto reforzado son relativamente imprecisos.

Durabilidad. Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado duraran

indefinidamente. Investigaciones realizadas en los aceros modernos, indica que bajo

ciertas condiciones no se requiere ningún mantenimiento a base de pintura.

Ductilidad. La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes

deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. Cuando se prueba a

tensión un acero con bajo contenido de carbono, ocurre una reducción

considerable de la sección transversal y un gran alargamiento en el punto de

falla, antes de que se presente una fractura. Un material que no tenga esta

propiedad probablemente será duro y frágil y se romperá al someterlo a un golpe

repentino.

En miembros estructurales sometidos a cargas normales se

desarrollan altas concentraciones de esfuerzos en varios puntos. La naturaleza

dúctil de los aceros estructurales comunes les permiten fluir localmente es esos

29

puntos, evitándose así fallas prematuras. Una ventaja adicional de las estructuras

dúctiles es que, al sobrecargarlas, sus grandes deflexiones ofrecen evidencia visible

de la inminencia de la falla.

Tenacidad. Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia

y ductilidad. Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes

deformaciones será aun capaz de resistir grandes fuerzas. Esta es una característica

muy importante porque indica que los miembros de acero pueden someterse a

grandes deformaciones durante su formación y montaje, sin fracturarse, siendo

posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin daño aparente. La propiedad

de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad.

Ampliaciones de las estructuras existentes. Las estructuras de acero se

adaptan muy bien a posibles adiciones. Se puede añadir nuevas crujías e incluso

alas enteras a estructuras de acero ya existentes y los puentes de acero con

frecuencia pueden ampliarse.

Propiedades diversas. Otras ventajas importantes del acero estructural son: a) gran

facilidad para unir diversos miembros de varios tipos de conexión como son la

soldadura, los tornillos y los remaches; b) posibilidad de prefabricar los miembros;

c)rapidez de montaje; d) gran capacidad para laminarse en una gran cantidad de

tamaños y formas; e) resistencia a la fatiga; f) rehúso posible después de desmontar

una estructura y g) posibilidad de venderlo como "chatarra" aunque no pueda utilizarse

en su forma existente. El acero es el material reutilizable por excelencia.

2.2 DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

Costo de mantenimiento. La mayor parte de los aceros son susceptibles a la

corrosión al estar expuesto al aire y al agua y, por consiguiente, deben

pintarse periódicamente. El uso de aceros intemperizados para ciertas aplicaciones,

tiende a eliminar este costo.

Costo de la protección contra el fuego. Aunque algunos miembros estructurales

son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los

incendios, cuando los otros materiales de un edificio se queman. Han ocurrido

muchos incendios en inmuebles vacíos en los que el único material combustible era el

30

mismo inmueble. El acero es un excelente conductor de calor, de manera que los

miembros de acero sin protección pueden transmitir suficiente calor de una sección

o comportamiento incendiado de un edificio a secciones adyacentes del mismo

edificio e incendiar el material presente. En consecuencia, la estructura de acero

de una construcción debe protegerse mediante materiales con ciertas

características aislantes o el edificio deberá acondicionarse con un sistema de

rociadores para que cumplan con los requisitos de seguridad del código de

construcción de la localidad en que se halle.

Susceptibilidad al pandeo. Cuando más largos y esbeltos sean los miembros

a compresión, tanto mayor es el peligro de pandeo. Como se indico previamente,

el acero tiene una lata resistencia por unidad de peso, pero al usarse como columnas

no resulta muy económico ya que debe usarse bastante material, solo para hacer más

rígidas las columnas contra el posible pandeo.

Fatiga. Otra característica inconveniente del acero es que su resistencia puede

reducirse si se somete a un gran número de inversiones del sentido del esfuerzo, o

bien, a un gran número de cambios de la magnitud del esfuerzo de tensión. (Se

tienen problemas de fatiga solo cuando se presentan tensiones) En la práctica

actual se reducen las resistencias estimadas de tales miembros, si se sabe de

antemano que estará sometido a un número mayor de ciclos de esfuerzo variable, que

cierto número limite.

Fractura frágil. Bajo ciertas condiciones, el acero puede perder su ductilidad y la

falla frágil puede ocurrir en lugares de concentración de esfuerzos. Las cargas que

producen fatiga y muy bajas temperaturas agravan la situación.

2.3 PERFILES DE ACERO.

El Instituto Mexicano de la construcción en Acero, A.C (IMCA), pública un manual por

medio del diseño de esfuerzos permisibles, que es tomado como base del AMERICAN

INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION, INC. (AISC), en el cual contiene la siguiente

información.

Disponibilidad de aceros estructurales en perfiles, placas y barras, Principales

productores nacionales de acero estructural, Disponibilidad de tipos de tubos de

acero, Tablas de dimensiones y propiedades de los perfiles como son: ángulo de

31

lados iguales (LI), ángulo de lados desiguales (LD) perfil C estándar (CE), Perfil I

estándar (IE), Perfil rectangular (IR), Perfil T rectangular (TR), Perfil I soldado (IS),

Redondo sólido liso (OS), Tubo circular (OC), Tubo cuadrado o rectangular (OR),

Perfil C formado en frío (CF), Perfil Z formado en frío (ZF), Varilla corrugado para

refuerzo de concreto y Láminas antiderrapantes realzadas.

Por último el manual se conforma por la Parte 1 Diseño elástico, Parte 2 Diseño plástico, Código de prácticas generales y Apéndices y comentarios.

Las dimensiones de los perfiles se dan en decimales (para uso de los proyectistas) y

en fracciones al dieciseisavo de pulgada más próximo (para uso de los

dibujantes o detallistas). Se proporciona también, para el uso de los diseñadores,

los momentos de inercia, los módulos de sección, los radios de giro y otras

propiedades de la sección transversal.

Se suelen presentar variaciones en cualquier proceso de manufactura, y la industria

del acero no es una excepción. En consecuencia, las dimensiones de las

secciones transversales de los perfiles de acero pueden variar un poco, respecto a los

indicados en el manual. Las tolerancias máximas para los perfiles laminados las

establece la especificación A6 de la American Society For Testing an Materials (ASTM)

y se citan en la primera parte del manual, independientemente del fabricante.

A través de los años han existido cambios en las dimensiones de los perfiles de acero. Por ejemplo, puede haber poca demanda que justifique seguir laminando un cierto perfil de tamaño similar, pero más eficiente en su forma. Ocasionalmente el proyectista puede necesitar las propiedades de un perfil descontinuado que no aparece ya en las listas de los manuales. Por ejemplo, puede requerirse añadir un piso extra a un edificio existente que fue construido con perfiles que ya no se fabrican, por ello es aconsejable que los proyectistas conserven las ediciones viejas del manual para consultarlas cuando se presenten tales situaciones.

2.4 RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACION DEL ACERO ESTRUCTURAL

Para entender el comportamiento de las estructuras metálicas es

absolutamente indispensable que el ingeniero mecánico conozca las propiedades

del acero. Los diagramas esfuerzo-deformación ofrecen parte de la información

necesaria para entender cómo se comporta ese material en una situación

particular. No se pueden desarrollar métodos satisfactorios de diseño a menos que

se dispongan de información completamente relativa a las relaciones esfuerzo-

deformación del material que se usa.

32

Si una pieza de acero estructural dúctil se somete a una fuerza de tensión,

está comenzará a alargarse. Si se incrementa la fuerza a razón constante, la

magnitud de alargamiento aumentará constantemente dentro de ciertos límites. En

otras palabras el alargamiento se duplicará cuando el esfuerzo pase de 422 a

844 Kg/cm². Cuando el esfuerzo de tensión alcance un valor aproximadamente

igual a un medio de la resistencia última del acero, el alargamiento comenzará a

aumentar más y más rápidamente sin un incremento correspondiente del esfuerzo.

El mayor esfuerzo para el que todavía es válida la ley de Hooke o el punto más alto

de la porción recta del diagrama esfuerzo-deformación se denomina límite

proporcional. El mayor esfuerzo que un material puede resistir sin deformarse

permanentemente se llama limite elástico. Este valor rara vez se mide y para la

mayoría de los materiales estructurales, incluido el acero, es sinónimo de límite

proporcional. Por esta razón se usa a veces el término límite proporcional elástico.

El esfuerzo en el que se presenta un incremento brusco en el alargamiento o

deformación sin un incremento en el esfuerzo, se denomina esfuerzo de

fluencia; corresponde al primer punto del diagrama esfuerzo-deformación para el cual

la tangente a la curva es horizontal. El esfuerzo de fluencia es para el proyectista

la propiedad más importante del acero, ya que muchos procedimientos de diseño se

basan en este valor. Más allá del esfuerzo de fluencia hay un intervalo en el que

ocurre un incremento considerable de la deformación sin incremento del esfuerzo. La

deformación que se presenta antes del esfuerzo de fluencia se denomina deformación

elástica. La deformación que ocurre después del esfuerzo de fluencia, sin incremento

de esfuerzo, se denomina deformación plástica. Esta última deformación es

generalmente igual en magnitud a 10 o 15 veces la deformación elástica.

La fluencia del acero puede presentar una fuerte desventaja, pero en realidad es una

característica muy útil; con frecuencia han prevenido la falla de una estructura

debida a omisiones de errores del proyectista. Si el esfuerzo en un punto de una

estructura de acero dúctil alcanza el esfuerzo de fluencia, esa parte de la

estructura cederá localmente sin incremento en el esfuerzo, impidiendo así una falla

prematura. Esta ductilidad permite que se reajusten los esfuerzos en una

estructura de acero. Otra manera de describir este fenómeno es afirmar que los

altos esfuerzos causados por la fabricación, el montaje o la carga tienden a

igualarse entre sí. También puede decirse que una estructura de acero tiene una

reserva de deformación plástica que le permite resistir sobrecargas y golpes

repentinos.

Si no tuviese esta capacidad se podría fracturar como el vidrio u otros materiales

análogos.

33

Después de la zona plástica se tiene una zona llamada endurecimiento

por deformación en la que se requieren esfuerzos adicionales para producir

deformaciones mayores. Esta porción del diagrama esfuerzo-deformación no resulta

muy importante para los proyectistas actuales por que las deformaciones son muy

grandes. En la figura siguiente se muestra un diagrama típico de un acero estructural

de bajo contenido de carbono. Sólo se presenta aquí la parte inicial de la curva, debido

a la gran deformación que ocurre antes de la falla.

La curva esfuerzo-deformación es típica de los aceros estructurales dúctiles y se

supone que es la misma para miembros a tensión o a compresión. La forma del

diagrama varía con la velocidad de carga, el tipo de acero y con la temperatura.

En la figura se muestra mucha variación, la línea interrumpida marcada fluencia

superior ocurre cuando un acero dulce se carga rápidamente, en tanto que la curva

con la fluencia inferior se obtiene de una carga lenta.

Una propiedad muy importante de una estructura que no se ha esforzado más allá de

su punto de fluencia, es que ésta recuperará su longitud original cuando se

suprimen las cargas. Si después de que las cargas se retiran la estructura no

recupera sus dimensiones originales, significa que se ha esforzado más allá de su

punto de fluencia.

El acero es una aleación que está compuesta principalmente de hierro (más del

98%). Contiene también pequeñas cantidades de carbono, silicio, manganeso,

azufre, fósforo y otros elementos. El carbono es el elemento que tiene la mayor

34

influencia en las propiedades del acero. La dureza y la resistencia aumentan con el

porcentaje de carbono.

2.5 DISEÑO ECONÓMICO DE MIEMBROS DE ACERO

El diseño de un miembro estructural de acero implica mucho más que el cálculo de

las propiedades requeridas para resistir las cargas y la selección del perfil más ligero

que tenga tales propiedades. Aunque a primera vista este procedimiento parece que

presenta los diseños más económicos. Deben considerarse otros factores. Algunos

de estos son los siguientes:

1. El proyectista necesita seleccionar las dimensiones en que se fabrican los

perfiles laminados. Vigas, placas y barras de tamaño poco comunes serán

difíciles de conseguir en periodos de mucha actividad constructiva y

resultarán costosos en cualquier época. Un poco de estudio le permitirá al

proyectista aprender a evitar tales perfiles.

2. En ciertos casos, pueden ser un error suponer que el perfil más ligero es el

más barato. Una estructura diseñada según el criterio de la “sección más ligera”

consistirá en un gran número de perfiles de formas y tamaños diferentes. Tratar

de conectar y adaptar todos estos perfiles será bastante complicado y el costo

del acero empleado probablemente será muy alto. Un procedimiento más

razonable será unificar el mayor número posible de perfiles en cuanto al

tamaño y forma aunque algunos sean de mayor tamaño.

3. Las vigas escogidas para los pisos de edificios son las de mayor peralte, ya

que esas secciones, para un mismo peso, tiene los mayores momentos

de inercia y de resistencia. Conforme aumenta la altura de los edificios,

resulta económico modificar este criterio, consideremos, por ejemplo, un

inmueble de 20 pisos debe tener una altura libre mínima. Si los peraltes de

las vigas se reducen, las vigas costarán más, pero la altura del edificio se

reducirá, con el consiguiente ahorro en muros, pozos de elevadores, alturas de

columnas, plomería, cableado y cimentaciones.

4. Los costos de montaje y fabricación de vigas de acero estructural

son aproximadamente los mismos para los miembros ligeros o pesados.

Las vigas deben entonces espaciarse tanto como sea posible para deducir el

número de miembros que tengan que fabricarse y montarse.

5. Los miembros de acero estructural deben pintarse sólo si lo requiere

la especificación aplicable. El acero no debe pintarse si va estar en contacto

con concreto. Además los diversos materiales resistentes al fuego usados para

proteger a los miembros de acero se adhieren mejor si las superficies no están

pintadas.

35

6. Es muy conveniente usar la sección el mayor número de veces posible.

Tal manera de proceder reducirá los costos del detallado; fabricación y montaje.

7. Para secciones grandes, particularmente las compuestas, el diseñador

necesita tener información relativa a los problemas de transporte. Esta

información incluye las máximas longitudes y alturas que pueden enviarse por

camión o por ferrocarril, los claros libres bajo puentes y líneas de transmisión

que se encuentran en el camino a la obra, así como las cargas permisibles

sobre los puentes que deban cruzarse. Es posible fabricar una armadura de

acero para techo en una sola pieza, pero tal vez no sea posible transportarlo a

la obra y montarla en una sola pieza.

8. Deben escoger secciones que sean fáciles de montar y mantener. Por ejemplo,

los elementos estructurales de un puente deben tener sus suficientes

expuestas, dispuestas de manera que puedan pintarse periódicamente (a

menos que se utilice un acero especial resistente a la corrosión).

9. Los edificios tienen con frecuencia una gran cantidad de tuberías,

conductos, etcétera, por lo que deben escogerse elementos estructurales que

sean compatibles con los requisitos de forma y tamaño impuestos por tales

instalaciones. 10. Los miembros de una estructura de acero, a veces están expuestos al

público, sobre todo en los caso de los puentes de acero y auditorios. La apariencia puede ser el factor principal al tener que escoger el tipo de estructura, como en el caso de los puentes. Los miembros expuestos pueden ser muy estéticos cuando se dispone de manera sencilla y tal vez cuando se escojan elementos con líneas curvas; sin embargo, ciertos arreglos pueden ser sumamente desagradables a la vista. Es un hecho que algunas estructuras de acero, bellas en apariencia, tienen un costo muy razonable. Un diseño económico se alcanza cuando la fabricación se minimiza.

2.6 FALLAS EN ESTRUCTURAS

El ingeniero Mecánico con poca experiencia necesita saber a qué debe dársele

la mayor atención y donde se requiere asesoría exterior. La vasta mayoría de los

ingenieros, con o sin experiencia, seleccionan miembros de suficiente tamaño y

resistencia. El colapso de las estructuras se debe usualmente a una falla de

atención a los detalles de las conexiones, deflexiones, problemas de montaje y

asentamientos de la cimentación. Las estructuras de acero rara vez fallan debido a

defectos del material más bien lo hacen por su uso impropio.

36

Una falla frecuente se debe a que después de diseñar cuidadosamente los miembros

de una estructura, se selecciona en forma arbitraria conexiones que pueden no

ser de suficiente tamaño. Los ingenieros delegan a veces el trabajo de seleccionar las

conexiones a los dibujantes, quienes quizá no tengan un conocimiento suficiente de

las dificultades que surgen en el diseño de las conexiones. Tal vez el error que se

comete con más frecuencia en el diseño de las conexiones es despreciar algunas de

las fuerzas que actúan en estas, por ejemplo los momentos torsionantes. En una

armadura para la que se han diseñado los miembros sólo para las fuerzas

axiales, las conexiones pueden estar excéntricamente cargadas, generándose así

momentos que causan incrementos en los esfuerzos. Esos esfuerzos secundarios

son en ocasiones tan grandes que deben ser considerados en el diseño.

Otra causa de fallas ocurre cuando las vigas soportadas sobre muros tienen un apoyo

o anclaje insuficiente. Imagine que una viga de este tipo que soporte un techo plano en

una noche lluviosa y que los drenes del techo no funciona adecuadamente.

Conforme el agua empieza a encharcarse sobre el techo, éste tiende a

flexionar la viga en el centro, ocasionando que se formen bolsas que captaran más

agua, lo que aumentará la flecha de la viga. Al deflexionarse la viga, ésta empuja

contra los muros, causando posiblemente el colapso de éstos o el deslizamiento de

los extremos de la viga hacia fuera de los muros.

Los asentamientos en las cimentaciones causan un gran número de

fallas estructurales, probablemente más que cualquier otro factor. La

mayoría de los asentamientos en cimentaciones no conducen a desplomes de

la estructura, pero con frecuencia ocasionan grietas de aspecto desagradable y

depreciación de sistema estructural.

Si todas las partes de la cimentación de una estructura se asientan

uniformemente, los esfuerzos en ésta, teóricamente no cambiarán. El diseñador que

usualmente no es capaz de impedir los asentamientos, debe procurar que el diseño

de la cimentación sea tal que los asentamientos que se presenten sean uniformes.

Asentamientos uniformes pueden ser una meta imposible de alcanzar por lo que se

debe entonces tomar en cuenta los esfuerzos producidos por variaciones en los

asentamientos. De acuerdo con el análisis estructural los asentamientos no uniformes

en estructuras estáticamente indeterminadas pueden causar variaciones extremas

en los esfuerzos. Cuando las condiciones para cimentar son deficientes, es

conveniente utilizar estructuras estáticamente indeterminadas, en las que los esfuerzos

no son apreciablemente modificados por asentamientos de los soportes. (El

estudiante aprenderá en análisis subsecuentes que la resistencia última de las

estructuras de acero es usualmente afectada sólo ligeramente por asentamientos

no uniformes de los soportes).

37

Algunas fallas estructurales ocurren porque no se da una atención adecuada a

las deflexiones, fatiga de miembros, arrastramiento contra ladeos, vibraciones y la

posibilidad de pandeo de miembros a compresión o de los patines de compresión de las

vigas.

La estructura usual cuando está terminada está suficientemente arriostrada con

pisos, muros, conexiones y arriostramiento especial, pero hay en ocasiones

durante la construcción en que muchos de estos elementos no están presentes.

Como se indico previamente, las peores condiciones pueden ocurrir durante el

montaje y pueden entonces requerirse un arriostramiento especial temporal.

2.7 EXACTITUD DE CALCULOS

Un punto muy importante, que muchos de los estudiantes con sus excelentes

calculadoras de bolsillo y computadoras personales tienen dificultad para entender,

que el diseño estructural no es una ciencia exacta y que no tiene sentido tener

resultados con ocho cifras significativas. Algunas de las razones se deben a que los

métodos de análisis se basan en suposiciones parcialmente ciertas, a que las

resistencias de los materiales varían apreciablemente ya que las cargas

máximas sólo pueden determinarse en forma aproximada. Con respecto a esta

última afirmación. Los cálculos con más de tres cifras significativas, obviamente

son de poco valor y pueden darle al estudiante una falsa impresión de exactitud

y de precisión.

38

UNIDAD III

ESPECIFICACIONES, CARGAS Y METODOS DE DISEÑO

3.1 ESPECIFICACIONES Y CÓDIGOS DE CONSTRUCCIÓN

El diseño de la mayoría de las estructuras está regido por especificaciones o

normas. Aun si éstas no rigen al diseño, el proyectista quizá las tomará como una

guía. No importa cuántas estructuras haya diseñado, es posible que el proyectista

haya encontrado toda situación posible, por lo mismo a recurrir a las

especificaciones, él recomendará el mejor material con el que se dispone. Las

especificaciones de ingeniería son desarrolladas por varias organizaciones y contienen

las opiniones más valiosas de esas instituciones sobre la buena práctica de ingeniería.

Las autoridades municipales y estatales, preocupadas por la seguridad pública, han

establecido códigos de control de la construcción de las estructuras bajo su

jurisdicción. Estos códigos, que en realidad son reglamentos, especifican las cargas de

diseño, esfuerzos de diseño, tipos de construcción, calidad de los materiales y

otros factores; varían considerablemente de ciudad en ciudad, hecho que

origina cierta confusión entre ingenieros.

Algunas organizaciones publican prácticas que se recomiendan para uso regional o

nacional; sus especificaciones no son legalmente obligatorias, a menos que estén

contenidas en el código de edificación local o formen parte de un contrato en

particular; entre esas organizaciones están el AISC (American Institute of Steel

Construction) Y AASHTO (American Association of State Highway and

Transportation Oficcials). Casi todos los códigos de construcción municipales y

estatales han adoptado las especificaciones AISC, y casi todos los departamentos

estatales de carreteras han adoptado las especificaciones AASHTO

Los lectores deben notar que los códigos escritos lógica y claramente son muy útiles

para los ingenieros de diseño. Es un hecho que hay menos fallas estructurales en

zonas que tienen buenos códigos y que son estrictamente acatados.

Mucha gente considera que las especificaciones impiden al ingeniero pensar por sí

mismo y tal vez hay alguna razón para una tal censura. Se dice que los antiguos

ingenieros que construyeron las grandes pirámides, el Partenón y los grandes

puentes romanos, los controlaban muy pocas especificaciones, lo que

indudablemente es verdad. Por otra parte, podría decirse que sólo algunos grandes

proyectos fueron realizados en el transcurso de muchos siglos, y que se hicieron

aparentemente sin tomar en cuenta el costo de los materiales, trabajo y vidas

39

humanas. Probablemente fueron construidos por intuición siguiendo reglas

empíricas desarrolladas en construcciones pequeñas en donde las resistencias

de sus miembros fallarían precisamente bajo ciertas condiciones. Seguramente que

sus numerosas fallas no han sido registradas en la historia y sólo sus éxitos

han perdurado.

Obviamente, si a todos los ingenieros se les permitiera diseñar construcciones como

las mencionadas, sin restricciones, seguramente habría muchas fallas desastrosas. Por

tanto, algo que debe recordarse como importante acerca de las especificaciones es

que las mismas no se han elaborado con el propósito de restringir al ingeniero, sino

con el de proteger al público.

No importa cuántas especificaciones se escriban, resulta imposible que cubran toda

situación posible. En consecuencia, no importa que código o especificación se use o

no, la responsabilidad última del diseño de una construcción segura es del ingeniero

Mecánico.

3.2 CARGAS MUERTAS

Se considerarán como las cargas muertas los pesos de todos los

elementos constructivos, de los acabados y de todos los elementos que

ocupan una posición permanente y tienen un peso que no cambia sustancialmente

con el tiempo.

Para la evaluación de las cargas muertas se emplearán las dimensiones

especificadas de los elementos constructivos y los pesos unitarios de los materiales.

40

3.3 CARGAS VIVAS

Se considerarán cargas vivas a las fuerzas que se producen por el uso y ocupación

de las edificaciones y que no tienen carácter permanente. A menos que se

justifiquen racionalmente otros valores.

Las cargas especificadas no incluyen el peso de muros divisorios de mampostería o

de otros materiales, ni el de muebles, equipos u objetos fuera de lo común, como

cajas fuertes de gran tamaño, archiveros importantes, libreros pesados o cortinajes

en salas de espectáculos.

Cuando se prevean tales cargas deberán cuantificarse y tomarse en cuenta en

el diseño en forma independiente de la carga viva especificada. Los valores

adoptados deberán justificarse en la memoria de cálculo e indicarse en los planos

estructurales.

.

3.4 FILOSOFIA DEL DISEÑO Y CONFIABILIDAD DE LAS

ESPECIFICACIONES ( LRFD)

Para la aplicación de las cargas vivas unitarias se deberán tomar en consideración

las siguientes disposiciones.

41

a) La carga viva máxima Wm. Se deberá emplear para el diseño estructural por

fuerzas gravitacionales y para calcular asentamientos inmediatos en suelos,

así como para el diseño estructural de los cimientos ante cargas

gravitacionales.

b) La carga instantánea Wa se deberá usar para el diseño sísmico y por

viento y cuando se revisen distribuciones de carga más desfavorables que la

uniformemente repartida sobre toda el área.

c) La carga media W se deberá emplear en el cálculo de los asentamientos

diferidos y para el cálculo de la flechas diferidas; y

d) Cuando el efecto de la carga viva sea favorable para la estabilidad de la

estructura, como en el caso de los problemas de flotación, volteo y de

succión por viento, su intensidad se considerará nula sobre toda el área, a

menos que pueda justificarse otro valor.

Dos filosofías del diseño están en actual uso. El diseño por esfuerzos de trabajo

(referido por AISC como Diseño por esfuerzos permisibles) y el diseño por estados

límite (referido por AISC como el Diseño por Factor de Carga y Resistencia). El

diseño por esfuerzos de trabajo ha sido la principal filosofía usada durante los

pasados 100 años. Durante los pasados 20 años aproximadamente, el diseño

estructural se ha estado moviendo hacia un más racional diseño basado en

probabilidad, referido el procedimiento como el diseño de “estados límite“ Haaijer y

Kennedy presentaron el actual concepto de estados límite y su uso en diseño. El

diseño por estados límite incluye los métodos normalmente referidos como “diseño

de resistencia última,” “diseño de resistencia,” “diseño plástico,” “diseño por factor de

carga,” “diseño límite,” y el reciente “Diseño por Factor de Carga y Resistencia

(LRFD).”

Las estructuras y los miembros estructurales deben de tener una adecuada

fuerza, como una adecuada rigidez y resistencia que permita un correcto

funcionamiento durante la vida de servicio de la estructura. El diseño debe proveer

alguna fuerza de reserva superior que las cargas de servicio que necesita sostener;

es decir, la estructura debe proveer la posibilidad de sobrecarga. La sobrecarga

42

puede surgir a partir de los cambios de uso por una estructura en particular a la que

fue diseñada, de menospreciar los efectos de las cargas por simplificar demasiado el

análisis estructural, y de las variaciones en los procedimientos de construcción. En

conclusión se prohíbe la posibilidad de tener una resistencia baja. Desviación en

las dimensiones de los miembros, aunque dentro de tolerancias aceptables, puede

resultar en miembros que tengan menor su fuerza calculada. Los materiales

(miembros de acero, pernos, y soldaduras) pueden tener una menor fuerza que la

usada en el diseño calculado. Una sección de acero puede ocasionalmente tener una

producción de esfuerzo menor al valor mínimo especificado, pero sin embargo

dentro de los límites aceptados estadísticamente.

El diseño estructural tiene que proveer una adecuada seguridad no importa que

filosofía de diseño se use. La provisión debe hacerse por sobrecarga y por una

fuerza menor. El estudio del que está constituido la correcta formulación de la

seguridad estructural ha estado continuando durante los pasados treinta años. El

empuje principal ha estado examinado por varios métodos probabilísticos de

posibilidad de “falla” que ocurre en los miembros, conexiones o sistemas.

La palabra confiabilidad, se refiere al porcentaje estimado de veces que la

resistencia de una estructura será igual o excederá a la carga máxima aplicada a ella

durante su vida estimada (digamos 50 años).

En esta parte describe:

1. Los investigadores del método LRFD desarrollaron procedimientos para estimar

la confiabilidad de los diseños.

2. Establecieron lo que les pareció razonable en cuanto a porcentajes de

confiabilidad para diferentes situaciones.

3. Lograron ajustar los factores de resistencia para que los proyectistas fuesen

capaces de obtener los porcentajes de confiabilidad establecidos en el punto

anterior.

El término falla, como se usa en esta exposición, sobre la confiabilidad.

Supongamos que un proyectista afirma que sus diseños son 99.7% confiables (y este

es el valor aproximado que se obtiene con la mayoría de los diseños hechos con el

LRFD). Esto significa que si diseñase 1000 estructuras diferentes, 3 de ellas

estarían probablemente sobrecargadas en algún momento durante sus vidas

estimadas de 50 años y entonces fallarían. Se podrá pensar que es un porcentaje

inaceptablemente alto de fallas.

Para el autor, 99.7% de confiabilidad no significa que 3 de las 1000 estructuras van

a desplomarse; significa más bien que esas estructuras en algún momento estarán

43

cargadas en el intervalo plástico y tal vez en el intervalo de endurecimiento por

deformación. En consecuencia, las deformaciones podrán ser muy grandes durante

la sobrecarga y podrá ocurrir algún daño ligero. No se espera que alguna de esas

estructuras se desplome.

El enfoque correcto a un método simplificado para obtener una probabilidad basada

en la evaluación de la seguridad estructural usa los métodos de confiabilidad

segundo- momento y de primer-orden. Tal método asume la carga (o el efecto de la

carga) Q y la resistencia R en sondeos variables. La típica distribución de

frecuencia de estos sondeos variables es mostrada en la siguiente figura. Cuando la

resistencia R excede la carga (o el efecto de la carga) Q ahí hay un margen de

seguridad. A menos que R exceda a Q por una cantidad grande, hay alguna

posibilidad de que R pueda ser menor que Q . Distribución de frecuencia de la carga Q

y la resistencia R.

Como resultado del trabajo anterior ahora es posible diseñar un elemento particular

de acuerdo con una cierta edición de las especificaciones American Institute Of

Steel Construction (AISC) y, con la información estadística apropiada, calcular el valor

de β para el diseño. Este proceso se denomina calibración.

El resultado de nuestro estudio de los diseños de esas estructuras de acero,

mostrara que el porcentaje de estructuras para las cuales las resistencias de diseño

igualan o exceden a la peor carga anticipada, variará al examinar los diseños

hechos de acuerdo con los requisitos de diferentes ediciones de las

especificaciones del American Institute Of Steel Construction (AISC). Además,

nuestros cálculos mostrarán que esta confiabilidad variará para los diseños de

diferentes tipos de miembros estructurales (tales como columnas y vigas) hechos

con la misma edición de las especificaciones del American Institute Of Steel

Construcción (AISC).

Basado en los cálculos de confiabilidad descritos aquí, los investigadores decidieron

usar valores β consistentes en estas nuevas especificaciones. Estos son los valores

que ellos seleccionaron:

1. β = 3.00 para miembros sujetos a cargas de gravedad.

2. β = 4.50 para conexiones. (Este valor refleja la práctica común de diseñar las

conexiones con mayor resistencia que la asociada a los miembros conectados)

3. β = 2.5 para miembros sujetos a cargas de gravedad y viento. (Este valor

refleja la antigua idea de que los factores de seguridad no tienen que ser

tan grandes en los casos en que se presentan cargas laterales, ya que éstas

44

son de corta duración) 4. – β = 1.75 para miembros sujetos a cargas de

gravedad y sismo.

Luego los valores de los factores de resistencia para las partes de las

especificaciones se ajustaron de modo que los valores β mostrados antes, se

obtuvieron en el diseño. Esto ocasiona que la mayoría de los diseños hechos con el

método LRFD resulten casi idénticos a los obtenidos con el método de esfuerzos

permisibles cuando la relación de la carga viva con la muerta es de 3.

3.5 AISC – DISEÑO DE FACTORES DE CARGA Y RESISTENCIA LRFD

El diseño con factores de carga y resistencia se basan en los conceptos de

estado límite. El término estado límite se usa para describir una condición en la que

una estructura o parte de ella deja de cumplir su pretendida función. Existen dos tipos

de estado límite: los de resistencia y los de servicio.

Los estados límite de resistencia se basan en la seguridad o capacidad de carga

de las estructuras e incluyen las resistencias plásticas, de pandeo, de fractura, de

fatiga, de volteo, etc.

Los estados límites de servicio se refieren al comportamiento de las estructuras bajo

cargas normales de servicio y tienen que ver con aspectos asociados con el

uso y ocupación, tales como deflexiones excesivas, deslizamientos, vibraciones y

agrietamientos.

La estructura no sólo debe ser capaz de soportar las cargas de diseño o últimas, sino

también las de servicio o de trabajo en forma tal, que se cumplan los requisitos

de los usuarios de ella.

Las especificaciones LRFD se concentra en requisitos muy específicos relativos a

los estados límite de resistencia y le permitan al proyectista cierta libertad en el

área de servicio. Esto no significa que el estado límite de servicio no sea significativo,

sino que la consideración más importante (como en todas las especificaciones

estructurales) es la seguridad y las propiedades de la gente. Por ello, la seguridad

pública no se deja al juicio del proyectista.

El diseño con factores de carga y resistencia se basan en los conceptos de

estado límite. El término estado límite se usa para describir una condición en la que

una estructura o parte de ella deja de cumplir su pretendida función. Existen dos tipos

de estado límite: los de resistencia y los de servicio.

45

Los estados límite de resistencia se basan en la seguridad o capacidad de carga

de las estructuras e incluyen las resistencias plásticas, de pandeo, de fractura, de

fatiga, de volteo, etc.

Los estados límites de servicio se refieren al comportamiento de las estructuras bajo

cargas normales de servicio y tienen que ver con aspectos asociados con el

uso y ocupación, tales como deflexiones excesivas, deslizamientos, vibraciones y

agrietamientos.

La estructura no sólo debe ser capaz de soportar las cargas de diseño o últimas, sino

también las de servicio o de trabajo en forma tal, que se cumplan los requisitos

de los usuarios de ella.

Las especificaciones LRFD se concentra en requisitos muy específicos relativos a

los estados límite de resistencia y le permitan al proyectista cierta libertad en el

área de servicio. Esto no significa que el estado límite de servicio no sea significativo,

sino que la consideración más importante (como en todas las especificaciones

estructurales) es la seguridad y las propiedades de la gente. Por ello, la seguridad

pública no se deja al juicio del proyectista.

El miembro izquierdo de esta expresión se refiere a los efectos de las cargas en la

estructura, y el derecho a la resistencia o capacidad el elemento estructural.

En la universidad de Washington en San Luis, Mo., se llevó a cabo un proyecto de

investigación sobre el método LRFD, de 1969 a 1976, bajo la dirección de T.V.

Galambos y M.K. Ravindra; al concluir este proyecto se publicó un artículo titulado

“Proposed Criteria for Load and Resistance Factor Desing of Steel Building Structures

(directrices propuestas para el método de diseño por factor de carga y resistencia de

estructuras de acero)

3.6 AISC – DISEÑO POR ESFUERZOS PERMISIBLES (ASD)

El método tradicional de las especificaciones AISC diseño por esfuerzos permisibles

(también llamado diseño por esfuerzos de trabajo) En el ASD la idea principal son

las condiciones de las cargas de servicio (La unidad de esfuerzos asumen una

estructura elástica) cuando se satisface el requerimiento de seguridad (resistencia

adecuada) por la estructura. El AISC 1989 la especificación para el diseño por

esfuerzos permisibles es referido también como la especificación ASD.

46

En esta filosofía todas las cargas son asumidas hacia tener la misma variabilidad

promedio. La variabilidad completa de las cargas y las fuerzas esta puesta sobre el

lado de la fuerza de la ecuación. Para examinar la ecuación los términos de el diseño

por esfuerzos permisibles para vigas, el lado izquierdo puede representar la fuerza

de la viga nominal M n dividido por un factor de seguridad FS.

Los esfuerzos permisibles de la especificación ASD son derivadas de la idónea

fuerza lograda si la estructura es sobrecargada. Cuando la sección es dúctil y sujeta

esto no ocurre, la fuerza es mayor que la “primer cedida” esfuerzo, puede existir en la

sección ( Es)es el modulo de elasticidad ). Similar al comportamiento inelástico

dúctil puede permitir cargas altas a ser transportadas que las posibles si la

estructura tiende a seguir siendo enteramente elástica. En tales casos los

esfuerzos permisibles son ajustados hacia arriba. Cuando la fuerza es limitada por

unión o alguna otra conducta tal que el esfuerzo no llega el esfuerzo cedido, el

esfuerzo permitido es ajustado hacia abajo.

El requerimiento de servicio tal como el límite de desviación son siempre

investigados en las condiciones de carga de servicio, si el procedimiento del diseño

LRFD o el ASD es usado para satisfacer los requerimientos de seguridad.

3.7 AISC – DISEÑO PLASTICO

Tradicionalmente, la parte 2 de la especificación AISC llamada Diseño Plástico. La

especificación de 1989 para edificios de acero estructural ( Structural Steel

Buildings) contiene el Diseño plástico en la unidad N. El diseño plástico es un especial

caso del diseño de estados límite, en qué el estado límite por fuerza es la

realización de la fuerza del momento plástico Mp. La fuerza del momento plástico es

la fuerza del momento cuando todas las fibras de las cruce de la secciones son a la

fuerza del momento cuando todas las fibras de las cruce de las secciones son a la

fuerza cedida Fy (un lado de el eje neutral en tensión y el otro lado en compresión). El

diseño plástico no permite usar otros estados límite. Así como inestabilidad, fatiga, o

fractura. La filosofía del diseño es usada por AISC aplicada a miembros flexurales

incluyendo vigas – columnas.

47

3.8 POR QUE SE RECOMIENDA UTILIZAR EL METODO LRFD

Las varias ventajas de el método LRFD son bien expresadas por BEEDLE, cuya

lista es la base de lo siguiente.

1.- El método LRFD es otra “herramienta” para los ingenieros estructurales que

usan el diseño en acero Por qué no tiene las mismas herramientas (factores de

sobrecarga variables y factores de resistencia) disponibles para el diseño en acero

como son disponibles para el diseño en concreto.

2.- Adoptar el método LRFD no es obligatorio pero provee una flexibilidad de opciones

al diseñador. El mercado puede ser dedicado sí o no al método LRFD este puede

convertirse en el único método.

3.- El ASD es un aproximado camino a informar por qué el método LRFD es un

camino más racional. El uso del concepto del diseño plástico en el método ASD

tiene un hecho tal que no es ilógico poder ser denominado un método de “diseño

elástico”.

4.- Lo razonable del método LRFD siempre ha sido atractivo, y corresponde un

permitido incentivo al mejor y más económico uso de material para algunas

combinaciones de carga y una configuración estructural. El método puede también

llevar probablemente a tener estructuras seguras en vista de la práctica arbitraria

debajo del método de diseño por esfuerzos permisibles ASD de la combinación de las

cargas muertas y las cargas vivas y tratándolas iguales.

5.- Usando la combinación de los factores de carga múltiples, puede llevar a lo

económico.

6.- El método LRFD puede facilitar los datos de nueva información sobre cargas y

variaciones de carga como tal la información llega a ser disponible. Considerablemente

el conocimiento de la resistencia de las estructuras de acero es disponible. De otra

manera, nuestro conocimiento de las cargas y de las variaciones de las cargas es

mucho menor. Separando las cargas de las resistencias permite un cambio de uno sin

el otro si esto se desea.

7.- Cambios en los factores de sobrecarga y en los factores de resistencia son muy

fáciles de hacer que un cambio en el método de diseño por esfuerzos permisibles

(ASD).

8.- El método LRFD hace diseños en todos los materiales más compatibles. La

variabilidad de las cargas es actualmente no relacionada a los materiales usados en

48

el diseño. Las futuras especificaciones no dentro del formato del estado límite para

algunos materiales pueden poner el material en una desventaja en el diseño.

9.- El método LRFD provee a la estructura a manejar las cargas inusuales que no

pueden estar cubiertas por la especificación. El diseño no puede tener la certeza de

relacionarse a la resistencia de la estructura, en este caso la resistencia de los

factores puede ser modificada. De otra manera no se tiene la certeza de poder

relacionar a las cargas y los factores de sobrecarga diferentes que pueden ser usados.

10.- Las instrucciones futuras en la calibración del método puede estar hechas sin

muchas complicaciones. La calibración del método LRFD se hizo para una situación

promedio para poder estar ajustada en el futuro.

11.- La economía es probablemente de un resultado para bajar la carga viva a

proporción la carga muerta. Para una carga viva alta a proporción de la carga

muerta allí puede estar levemente el mayor costo.

12.- La seguridad de las estructuras puede resultar debajo del método LRFD por qué el

método te recomienda llevar a una vigilancia mejor del comportamiento

estructural.

13.- La práctica del diseño está aún en inicio con diferencia a el estado límite de

servicio; Sin embargo, es menor la aproximación que provee el método LRFD.

Es importante que el diseñador estructural entienda ambas filosofías del diseño

porqué algunas estructuras se continúan diseñando con el método de diseño por

esfuerzos permisibles ASD y el diseñador estructural puede frecuentemente

necesitar evaluar estructura hechas con anterioridad.

3.9 ANALISIS DE LA ESTRUCTURA

En general el análisis de las estructuras lo podemos obtener con las cargas

de servicio (o los efectos carga del momento, cortante, fuerza axial y el momento

torsionante) en los miembros es representado igual por el LRFD como por ASD. El

método elástico del análisis estructural es usado excepto cuando el estado límite es

el mecanismo de colapso plástico. Un primer-orden de análisis es suficiente en una

estructura de marcos usual que es el refuerzo contra el balance. En un primer-orden

de análisis, la ecuación de equilibrio está basado en la original geometría de la

estructura. Esto significa que el diseñador está asumiendo que las fuerzas

internas (momentos, cortantes, etc.) no son afectadas los suficientes por el

49

cambio en la forma de la estructura que justifique una análisis más complicado.

Cuando el desplazamiento elástico es pequeño comparado con las

dimensiones, esta aproximación puede ser satisfactoria.

La más común situación donde un efecto de segundo-orden debe ser considerado es

en una estructura de varios pisos que debe contar con la rigidez de la interacciones de

vigas y columnas que resista el balance de las cargas laterales (viento y/o sismo) Esto

es llamado sin refuerzo en los marcos. En este caso el desplazamiento lateral

(también llamado balance o flotación) causas adicionales momentos debido a las

cargas gravitacionales (∑p) actuando en posiciones que tienen desplazamientos por

una cantidad.

50

UNIDAD IV

ANALISIS SISMICO

4.1 COEFICIENTES Y ESPECTROS DE DISEÑO SISMICO

Las estructuras se deben calcular para pode resistir un sismo de intensidad

aproximadamente igual o mayor a 8° en la escala de Richter, “ para esos 50

segundos que suceden cada 25 años”.

El diseño sísmico de Naves Industriales debe seguir las prescripciones del

reglamento o código de construcciones de la localidad que los alberga. El primer

paso del diseño es el análisis sísmico que permite determinar qué fuerzas representan

la acción sísmica sobre el edificio y qué elementos mecánicos (fuerzas

normales y cortantes y momentos flexionantes) producen dichas fuerzas en cada

miembro estructural del edificio. Para este fin, los reglamentos aceptan que las

estructuras tienen comportamiento elástico lineal y que podrá emplearse el método

dinámico modal de análisis sísmico, que requiere el cálculo de periodos y modos de

vibrar. Con ciertas limitaciones, se puede emplear el método estático de análisis

sísmico que obvia la necesidad de calcular modos de vibración. Cualquiera que sea el

método de análisis, los reglamentos especifican espectros o coeficiente para diseño

sísmico que constituyen la base del cálculo de fuerzas sísmicas.

Se presenta los métodos simplificado de análisis, estático y dinámico dentro el

contexto del Reglamento vigente en el Distrito Federal (RCDF), aunque la mayoría

de los conceptos son independientes de las disposiciones reglamentarias y pueden

emplearse con otros reglamentos de construcción, con variantes menores que

reflejan los requisitos correspondientes de tales documentos, principalmente los

espectros o coeficientes sísmicos estipulados para cada lugar.

Como en sus versiones anteriores, el cuerpo principal del RCDF incluye solamente

requisitos de carácter general. Métodos de análisis y prescripciones

particulares para estructuras específicas están contenidos en las Normas Técnicas

Complementarias para Diseño por Sismo (NTDS). Además, requisitos específicos

para el diseño sísmico de los principales materiales estructurales se encuentran en

las Normas Técnicas para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto,

Metálicas, de Mampostería y de Madera, respectivamente.

51

El título sexto del RCDF se llama Seguridad Estructural de las Construcciones y

consta de 13 capítulos, varios de los cuales contienen disposiciones referentes al

diseño sísmico ; en particular, el capítulo VI, se titula diseño por sismo y en sus

cláusulas se establecen las bases y requisitos de diseño para que las

estructuras tengan adecuada seguridad ante la acción sísmica. Este capítulo está

formado por los artículos 164 a 167 y hace referencia a las NTDS. Este último

documento contiene 11 secciones y un apéndice dividido a su vez en las secciones

A1 a A6.

4.2 FACTORES DE SEGURIDAD –ASD YLRFD COMPARADOS

La Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo (NTDS) estipula la

ordenada del espectro de aceleraciones, a , que se debe adoptarse cuando se

aplique el análisis dinámico modal. Este espectro se usa también en la sección 8

de las NTDS para definir el coeficiente sísmico para calcular la fuerza

cortante basal en el análisis estático. Expresada como fracción de la aceleración

de la gravedad, a está dada por:

A (1 3T Ta ) c 4 , si T es menor que Ta

a c, si T está entre Ta yTb

a qc, si T excede de Tb

Donde T es el periodo natural de interés; T ,Ta yTb están expresados en segundos

se denomina coeficiente sísmico, y constituye el índice más importante de la

acción sísmica que emplea el RCDF tanto para análisis estático como dinámico. Este

coeficiente es una cantidad a dimensional que define la fuerza cortante horizontal que

actúa en la base de un edificio como una fracción del peso total del mismo, W .

Los valores de c, Ta , Tb y del exponente de r depende de en cuál de las zonas

del Distrito Federal estipuladas en el artículo 219 del Reglamento de construcciones

para el Distrito Federal (RCDF), se encuentra el edificio. En la siguiente tabla

se describen dichas zonas, que se identifican como I a III, siendo la I la zona de

terrenos más firmes o de lomas, II de la transición y III la de terrenos más blandos

o de lago. Una parte de las zonas II y III se denominan zona IV y para ella

existen algunas limitaciones en la aplicación de métodos de diseño que incluyen

efectos de interacción suelo- estructura. De acuerdo con el Reglamento de

construcciones para el Distrito Federal (RCDF), la zona a que corresponde un predio

52

se determina a partir de investigaciones que se realicen en el subsuelo del mismo,

tal y como lo establecen las Normas Técnicas para Diseño de Cimentaciones.

Cuando se trata de construcciones ligeras o medianas cuyas características

se definen en dichas Normas, puede determinarse la zona mediante el mapa

incluido en las mismas, que hemos reproducido en la figura con nombre de

(Zonificación del D.F. para fines de diseño por sismo) mostrada posteriormente, que se

si el predio esta dentro de la porción zonificada. Los predios que se encuentren a

menos de 200m de las fronteras entre dos zonas se supondrán ubicados en la más

desfavorable.

Zonas en que se divide el distrito federal.

Zona Descripción

I Lomas. Formados por rocas o suelos generalmente firmes que

fueron depositados fuera del ambiente lacustre, pero en los que pueden

existir, superficialmente o intercalados, depósitos arenosos en estado

suelto o cohesivos relativamente blandos. Es frecuente la presencia de

oquedades en rocas y de cavernas y túneles excavados en suelos para

explotar minas de arena.

II Transición. Los depósitos profundos se encuentran a 20 m de

profundidad o menos. Constituida predominantemente por estratos

arenosos y limoarsillosos intercalados con capa de

arcilla lacustre, el espesor de estas es variable entre decenas de

centímetros y pocos metros.

lll Lacustre. Integrada por potentes depósitos de arcilla altamente

comprensible, separados por capas arenosas con contenido diverso de

limo o arcilla. Estas capas arenosas son de consistencia firme a muy

dura y de espesores variables de centímetros a varios metros. Los

depósitos lacustres suelen estar cubiertos superficialmente por suelos

aluviales y rellenos artificiales, el espesor de este conjunto puede ser

superior a 50 m.

Para cada zona, Ta ,Tb yr se consignan en la siguiente tabla que se basa en la

tabla 3.1 de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo (NTDS).

El coeficiente sísmico c varía además en función de la importancia de la

construcción, específicamente del grupo en el que se clasifique al edificio según a la

53

agrupación de las construcciones del Reglamento de construcciones para el Distrito

Federal (RCDF), que refleja el artículo 139. Para las construcciones clasificadas como

del grupo B, c se tomara igual a 0.16 en la zona I, 0.32 en la zona II y 0.40 en la III.

Teniendo en cuenta que es mayor la seguridad que se requiere para

construcciones en que las consecuencias de su falla son particularmente graves o

para aquellas que es vital que permanezcan funcionando después de un evento

sísmico intenso, se incrementa el coeficiente sísmico en 50 por ciento, para

diseñar las estructuras de estadios, hospitales y auditorios, subestaciones

eléctricas y telefónicas y otras clasificadas dentro del grupo A,

Subzonificación de las zonas de lago y transición.

54

Las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por sismo, muestra la siguiente

tabla con los valores de los parámetros para calcular los espectros de aceleraciones.

Zona c a0 Ta Tb r

I 0.16 0.04 0.2 1.35 1.0

II* 0.32 0.08 0.2 1.35 1.33

IIIa + 0.40 0.10 0.53 1.80 2.0

IIIb + 0.45 0.11 0.85 3.0 2.0

IIIc + 0.40 0.10 1.25 4.20 2.0

IIId + 0.30 0.10 0.85 4.20 2.0

Mapa del zonificación del D.F. para fines de diseño por sismo.

55

En el manual de diseño de obras civiles diseño por sismo nos muestra la siguiente

tabla con el espectro de diseño sísmico para la República Mexicana.

ZONA SÍSMICA

DE LA

REPÚBLICA

MÉXICANA

TIPO DE SUELO

a0

C

Ta (s)

Tb (s)

r

ZONA A

I (TERRENO FIRME) 0.02 0.08 0.2 0.6 ½

II (TERRENO DE

TRANSICIÓN)

0.04 0.16 0.3 1.5 2/3

III (TERRENO

COMPRESIBLE)

0.05 0.2 0.6 2.5 1

ZONA B

I (TERRENO FIRME) 0.04 0.14 0.2 0.6 ½

II (TERRENO DE

TRANSICIÓN)

0.08 0.3 0.3 1.5 2/3

III (TERRENO

COMPRESIBLE)

0.1 0.36 0.6 2.9 1

I (TERRENO FIRME) 0.36 0.36 0 0.6 ½

II (TERRENO DE

TRANSICIÓN)

0.64 0.64 0 1.4 2/3

56

ZONA C III (TERRENO

COMPRESIBLE)

0.64 0.64 0 1.9 1

ZONA D

I (TERRENO FIRME) 0.50 0.50 0 0.6 ½

II (TERRENO DE

TRANSICIÓN)

0.86 0.86 0 1.2 2/3

III (TERRENO

COMPRESIBLE)

0.86 0.86 0 1.7 1

Agrupación de construcciones según el RCDF.

Grupo Descripción

57

Grupo A Construcciones cuya falla estructural podría causar un número elevado

de muertes, perdidas económicas o culturales excepcionalmente altas,

o que constituyan un peligro significativo por contener sustancias toxicas

o explosivas, así como construcciones cuyo funcionamiento es esencial a raíz de

una emergencia urbana, como hospitales y escuelas, estadios, templos,

salas de espectáculos y hoteles que tengan salas de reunión que pueden alojar

mas de 200 personas; gasolineras, depósito de sustancias inflamables o

toxicas, terminales de transporte, estaciones de bomberos, subestaciones eléctricas,

centrales telefónicas, y de telecomunicaciones, archivos y registros públicos de particular

importancia a juicio del departamento, museos, monumentos y locales que alojen

equipo especialmente costoso, y

Grupo B Construcciones comunes destinadas a vivienda, oficinas y locales

comerciales, hoteles y construcciones comerciales e industriales no incluidas en el

grupo A, las que se subdividen en:

Subgrupo B1 Construcciones de más de 30m de altura o con más de 6,000 m2

de área

total construida, ubicadas en la zona I y II según se definen en el artículo 175, y

construcciones de más de 15m de altura o 3,000 m2

de área total construida en zona

III, y

Subgrupo B2 Las de más de este grupo.

Salvo que, siguiendo las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo

(NTDS), en la parte sombreada de la zona II en la figura anterior (figura 3.1 de las

NTDS) se tomara c 0.4 para las estructuras del grupo B y c 0.6 para las del A.

Sería impráctico diseñar edificios para que resistan sismos severos manteniendo

comportamiento elástico; por tanto, los reglamentos de construcción prescriben

materiales y detalles constructivos tales que las estructuras pueden incursionar en

comportamiento inelástico y disipar la energía impartida por un temblor fuerte

mediante histéresis. Esto permite reducir las fuerzas elásticas de diseño sísmico

mediante factores que reflejan la capacidad del sistema estructural para

deformarse inelásticamente ante fuerzas laterales alternantes sin perder su

resistencia (ductibilidad). En el caso del Reglamento de Construcciones para el

Distrito Federal (RCDF), las fuerzas para análisis estático y las obtenidas del

análisis dinámico modal se pueden reducir dividiéndolas entre el factor Q´ que

depende del factor de comportamiento sísmico Q para estructuras que satisfacen

58

las condiciones de regularidad que fija la sección 6 de las Normas Técnicas

Complementarias

Requisitos de regularidad para una estructura.

1. Planta sensiblemente simétrica en masas y elementos resistentes con respecto a dos

ejes ortogonales.

2. Relación de altura a menor dimensión de la base menor de 2.5.

3. Relación de largo a ancho de la base menor de 2.5.

4. En planta no tiene entrantes ni salientes cuya dimensión exceda de 20 por ciento de

la dimensión de la planta medida paralelamente a la dirección que se considera de la

entrante o saliente.

5. Cada nivel tiene un sistema de techo o piso rígido y resistente.

6. No tiene aberturas en sus sistemas de techo o piso cuya dimensión exceda de 20 por

ciento de la dimensión en planta medida paralelamente a la dimensión que se considere

de la abertura. Las áreas huecas no ocasionan asimetrías significativas ni difieren en

posición de un piso a otro y el área total aberturas no excede en ningún nivel de 20

por ciento del área de la planta.

7. El peso de cada nivel, incluyendo la carga viva que debe considerarse para diseño

sísmico, no es mayor que la del piso inmediato inferior ni, excepción hecha del último

nivel de la construcción, es menor que 70 por ciento de dicho peso.

59

8. Ningún piso tiene un área, delimitada por los patios exteriores de sus elementos

resistentes verticales, mayor que la del piso inmediato inferior ni menor que 70 por

ciento de esta. Se exime de este último requisito únicamente al último piso de la

construcción.

9. Todas las columnas están restringidas en todos los pisos en dos direcciones

ortogonales por diafragmas horizontales y por trabes o losas planas.

10. La rigidez al corte de ningún entrepiso excede en más de 100 por ciento a la del

entrepiso inmediatamente inferior.

11. En ningún entrepiso la excentricidad torsional calculada estáticamente, es , excede

Los valores de Q dependen del tipo de sistema estructural que suministra la

resistencia a fuerzas laterales y de los detalles de dimensionamiento que se adopten,

como se muestra a continuación en la siguiente tabla que refleja la sección 5 de

las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo (NTDS). Esta sección

también estipula que en todos los casos se usará para toda la estructura en la

dirección de análisis el valor mínimo de Q que corresponde a los diversos entrepisos

de la estructura en dicha dirección. Además se nota que Q puede diferir en las dos

direcciones ortogonales en que se analiza la estructura, según sean las

propiedades.

Factor de comportamiento sísmico, Q.

Factor Q Requisitos

1. La resistencia en todos los entrepisos es su ministrada exclusivamente por

marcos no contra venteados de acero o concreto reforzado por marcos contra

venteados o con muros de concreto reforzado en los que en cada entrepiso

los marcos son capaces de resistir, sin contar muros ni contravientos, cuando

menos 50% de la fuerza sísmica actuante.

2. Si hay muros ligados a la estructura en la formal y del artículo 204 del tener en

cuenta en el análisis, pero su contribución a la capacidad ante fuerzas laterales

solo se tomará en cuenta si estos muros es de piezas macizas, y los marcos

60

sean o no contra venteados, y los muros de concreto reforzado son capaces de

resistir al menos 80 por ciento de las fuerzas laterales totales sin la contribución

de los muros de mampostería.

3. El mínimo cociente de la capacidad resistente de un entrepiso entre la acción

de diseño no difiere en más de 35 por ciento del promedio de dichos cocientes

para todos los entrepisos. Para verificar el cumplimiento de este requisito, se

calculará la capacidad resistente de cada entrepiso teniendo en cuenta todos los

elementos que puedan contribuir a la resistencia, en particular los muros que se

hallen en el caso I a que se refiere el artículo 204 del RCDF.

4. Los marcos y muros de concreto reforzado cumplen con los requisitos que fijan

las normas técnicas correspondientes para marcos y muros dúctiles.

5. Los marcos rígidos de acero satisface lo requisito para marcos dúctiles que

fijan las normas técnicas correspondientes.

4.3 ELECCIÓN DEL TIPO DE ANÁLISIS.

Según sean las características de la estructura que se trate, ésta podrá analizarse

por sismo mediante el método simplificado, el método estático o unos de los

dinámicos (dinámico modal o el dinámico paso a paso) con las limitaciones que

se establecen a continuación.

Método simplificado de análisis. El método simplificado al que se refiere en el

capítulo 7 de las de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por sismo

(NTDS) será aplicable al análisis de Edificios (considerando Naves Industriales)

que cumplan simultáneamente los siguientes requisitos:

a) En cada planta, al menos el 75% de las cargas verticales estarán soportadas por

muros ligados entre sí mediante losas monolíticas u otros sistemas de piso

suficientemente resistentes y rígidos al corte. Dichos muros tendrán distribución

sensiblemente simétrica con respecto a dos ejes ortogonales y deberán satisfacer las

condiciones que establecen las Normas Correspondientes.

c) La relación entre la altura y la dimensión mínima de la base del edificio no

excederá de 1.5 y la altura del edificio no será mayor que 13m.

61

Análisis Estático y Dinámico. Los métodos dinámicos (dinámico modal y

dinámico paso a paso) pueden utilizarse para el análisis de toda estructura,

cualesquiera que sean sus características. Puede utilizarse el método estático

para analizar estructuras regulares, de altura no mayor de 30, y estructuras

irregulares de no más de 20m. Para edificios ubicados en la zona I, los límites

anteriores se amplían 40m y 30m, respectivamente. Con las mismas

limitaciones relativas al uso del análisis estático, para estructura ubicadas en las

zonas II o III también será admisible emplear los métodos de análisis que

especifica el Apéndice A del Reglamento De Construcciones para el Distrito Federal

(RCDF), en los cuales se tiene en cuenta los periodos dominantes del terreno en el

sitio de interés y la interacción suelo-estructura.

Aplicabilidad del método simplificado de análisis al proyecto en estudio.

En el inciso a) dice que en cada planta, al menos el 75% de las cargas

verticales estarán soportadas por muros ligados entre sí mediante losas monolíticas u

otros sistema de piso suficientemente resistentes y rígidos al corte. Ya que la

edificación que se está analizando en esta tesis es una Nave Industrial donde no se

tienen muros ligados entre sí, su sistema constructivo en cubierta es suficientemente

rígido al corte. No se cumple con este punto.

En el inciso b) dice que la relación entre la longitud y ancho de la planta del edificio

no excederá de 2.0m, a menos que para fines de análisis sísmico se pueda suponer

dividida dicha planta en tramos independientes cuya relación entre longitud y ancho

satisfaga esta restricción y las que fijan el punto anterior, y cada tramo resista el

criterio del capítulo 7 de las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por

Sismo (NTDS). Analizando el punto, L = 47.67 H = 25.75 entonces 47.97/25.75 =

1.85 < 2.0 Por lo que este punto se cumple.

En el inciso c) dice que la relación entre la altura y la dimensión mínima de la base

del edificio no excederá de 1.5 y la altura del edificio no será mayor de 13.0 metros.

H =8.70 B = 25.75 entonces 8.70/25.75 = 0.34 < 1.5 por lo que cumplimos con este

punto, la altura máxima del edificio es de 8.70 m < 13.0 m. por lo que también se

cumple con este punto.

62

En conclusión no ocuparemos el método simplificado de análisis ya que la nave

industrial no cumple con uno de los requisitos solicitados.

Utilizaremos el método estático de análisis ya que este nos permite analizar

estructuras regulares de altura no mayor de 30m, y estructuras irregulares de no más

de 20m.

No utilizaremos el análisis dinámico (dinámico modal y el análisis paso a paso) ni los

métodos de análisis que especifica el Apéndice A, en los cuales se tienen en

cuenta los periodos dominantes del terreno en el sitio de interés y la interacción suelo-

estructura, ya que según las consideraciones que hemos analizado nos permite utilizar

el método de análisis estático además de que esta tesis tiene el objetivo de dar

a conocer los fundamentos generales del análisis y diseño estructural y no

pretende plasmar cálculos con un grado de dificultad alto para los estudiantes y

egresados de las carrera de ingeniería y Arquitectura principalmente.

El análisis estático se describe en la sección 8 de las Normas Técnicas

Complementarias para Diseño por sismo (NTDS) y, en términos generales, su

aplicación requiere los siguientes pasos:

a) Se representa la acción del sismo por fuerzas horizontales que actúan en los

centros de masas de los pisos, en dos direcciones ortogonales.

b) Estas fuerzas se distribuyen entre los sistemas resistentes a carga lateral que

tiene el edificio (muros y/o marcos)

c) Se efectúa el análisis estructural de cada sistema resistente ante las cargas

laterales que le correspondan

63

UNIDAD V

DISEÑO POR VIENTO

5.1 ALCANCE

En este tema se presentan los procedimientos necesarios para determinar

las velocidades de diseño por viento en la República Mexicana y las fuerzas

mínimas por viento que deben emplearse en el diseño de diferentes tipos de

estructuras.

En la determinación de las velocidades de diseño sólo se consideraron los efectos de

los vientos que ocurren normalmente durante el año en todo el país y los

causados por huracanes en las costas del Pacífico, del Golfo de México y Caribe. No

se tomo en cuenta la influencia de los vientos generados por tornados debido a que

existe escasa información al respecto y por estimarlos como eventos de baja

ocurrencia que sólo se presentan en pequeñas regiones del norte del país,

particularmente y en orden de importancia, en los estados de Coahuila, Nuevo

León, Chihuahua y Durango. Por esta razón, en aquellas localidades en donde se

considere que el efecto de los tornados es significativo, deberán tomarse las

provisiones necesarias.

Es importante señalar que las recomendaciones aquí presentadas se deben

aplicar para revisar la seguridad del sistema de la estructura principal ante el efecto

de las fuerzas que generan las presiones (empujes o succiones) producidas por

el viento sobre las superficies de la construcción y que se transmiten a dicho sistema.

Así mismo, estas recomendaciones se utilizan en el diseño local de los elementos

expuestos de manera directa a la acción del viento, tanto los que forman parte del

sistema estructural, tales como cuerdas y diagonales, como los que constituyen un

recubrimiento, por ejemplo, láminas de cubiertas, elementos de fachadas y vidrios.

5.2 REQUISITOS GENERALES PARA EL ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL.

Los requisitos generales que a continuación se listan son aplicables al diseño de

estructuras sometidas a la acción del viento y deberán considerarse como los

mínimos indispensables, los cuales son:

a) Dirección de análisis. Las construcciones se analizarán suponiendo que el

viento puede actuar por lo menos en dos direcciones horizontales

64

perpendiculares e indispensables entre sí. Se elegirán aquellas que

representen las condiciones más desfavorables para la estabilidad de la

estructura (o parte de la misma) en estudio.

b) Factores de carga y resistencia. En este caso es de suma importancia el

establecer los límites de carga de la estructura para poder determinar la

resistencia que estará sometida en la estructura, considerando momento máximo

de le viga para poder determinar su resistencia ultima.

c) Seguridad contra el volteo. En este caso, la seguridad de las

construcciones se analizará suponiendo nulas las cargas vivas que

contribuyan a disminuir este efecto. Para las estructuras pertenecientes a los

Grupos B y C, el cociente entre el momento estabilizador y el actuante de volteo

no deberá ser menor a 1.5, y para las de grupo A, no deberá ser menor que

2.0. La clasificación de las estructuras en grupos de acuerdo a su importancia

se menciona posteriormente.

d) Seguridad contra el deslizamiento. Al analizar esta posibilidad,

deberían suponerse nulas todas las cargas vivas. La relación entre la

resistencia al deslizamiento y la fuerza que provoca el deslizamiento

horizontal deberá ser por lo menos igual a 1.5 para estructuras de los

Grupos B y C, y para las del Grupo A, deberá ser por lo menos igual a 2.0

e) Presiones Interiores. Se presentan en estructuras permeables, esto es,

aquéllas con ventanas o ventilas que permitan la entrada del viento al

interior de la construcción. El efecto de estas presiones se combinará con el de

las presiones exteriores, de tal manera que para el diseño se deben tomar en

cuenta los efectos más desfavorables.

f) Seguridad durante la construcción. En esta etapa deberán tomarse las

medidas necesarias para garantizar la seguridad de las estructuras bajo la

acción del viento de diseño cuya velocidad corresponda a un periodo de

retorno de 10 años. Esta condición se aplicará también en el caso de

estructuras provisionales que deben permanecer durante un periodo

menor o igual a seis meses.

65

g) Efecto de grupo debido a construcciones vecinas. En todos los casos se

supone que la respuesta de la estructura en estudio es independiente de la

influencia, favorable o desfavorable, que en otras construcciones cercanas

pudieran proporcionarle durante la acción del viento. La proximidad y

disposición de ellas puede generar presiones locales adversas, y éstas a su vez

ocasionar el colapso de una estructura del grupo. Tal es el caso, por ejemplo,

de un grupo de chimeneas altas que se encuentran espaciadas entre sí a

menos de un diámetro y en donde la variación de presiones puede provocar

problemas de resonancia. La mejor forma de evaluar el efecto de grupo a

partir de resultados de pruebas experimentales, o efectuando este tipo de

pruebas en un túnel de viento. Por otra parte, cuando se trate de definir la

rugosidad del terreno alrededor del sitio de desplante, los obstáculos y

construcciones de los alrededores sí deben tomarse en cuenta.

h) Análisis Estructural. Es la parte donde se realizan los cálculos para poder

determinar las dimensiones finales de la estructura para su elaboración.

i) Interacción suelo estructura. Cuando el suelo del sitio de desplante sea

blando o compresible, deberán considerarse los efectos que en la

respuesta ante la acción del viento pueda provocar la interacción entre el suelo

y la construcción. Los suelos blandos para las cuales esta interacción

es significativa, serán aquellos que tengan una velocidad media de

propagación de ondas de cortante menor que 700 m/s, si se consideran

esos efectos, se seguirán los lineamientos recomendados en el diseño por

sismo, en donde se establecen los métodos para definir el periodo

fundamental y el amortiguamiento equivalente de la estructura. Estas

características equivalentes se utilizarán para evaluar las cargas debidas al

viento y la respuesta correspondiente.

5.3 CLASIFICACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS SEGÚN SU IMPORTANCIA.

La seguridad necesaria para que una construcción dada cumpla adecuadamente

con las funciones para las que se haya destinado puede establecerse a partir de

66

niveles de importancia o de seguridad. En la práctica, dichos niveles se asocian con

velocidades de viento que tengan una probabilidad de ser excedidas, y a partir

de ésta se evalúa la magnitud de las solicitaciones de diseño debidas al viento.

Atendiendo al grado de seguridad aconsejable para una estructura, las

construcciones se clasifican según los grupos que se indican a continuación.

Grupo A. Estructuras para las que se recomienda un grado de seguridad elevado.

Pertenecen a este grupo aquéllas que en caso de fallar causarían la pérdida de un

número importante de vidas, o perjuicios económicos o culturales

excepcionalmente altos; así mismo, las construcciones y depósitos cuya falla

implique un peligro significativo por almacenar o contener sustancias tóxicas o

inflamables, así como aquellas cuyo funcionamiento es imprescindible y debe

continuar después de la ocurrencia de vientos fuertes tales como los provocados

por huracanes. Quedan excluidos los depósitos y las estructuras enterradas.

Ejemplos de este grupo son las construcciones cuya falla impida la operación de

plantas termoeléctricas, hidroeléctricas y nucleares; entre éstas, pueden

mencionarse las chimeneas, las subestaciones eléctricas y las torres y postes que

formen parte de líneas de transmisión principal. Dentro de esta clasificación también se

cuentan las centrales telefónicas e inmuebles de telecomunicaciones principales,

puentes, estaciones terminales de transporte, estaciones de bomberos, de rescate

y de policía, hospitales e inmuebles médicos con áreas de urgencias, centro de

operación en situaciones de desastre, escuelas, estadios, templos y museos. Del

mismo modo pueden considerarse los locales, las cubiertas y los paraguas que

protejan equipo especialmente costoso, y las áreas de reunión que puedan alojar a

más de doscientas personas, tales como salas de espectáculos, auditorios y

centros de convenciones.

Grupo B. Estructuras para las que se recomienda un grado de seguridad

moderado. Se encuentran dentro de este grupo aquéllas que en caso de fallar,

representan un bajo riesgo de vidas humanas y que ocasionarían daños

materiales de magnitud intermedia. Este el caso de las plantas industriales,

bodegas ordinarias, gasolineras (excluyendo los depósitos exteriores de combustible

pertenecientes al Grupo A), comercios, restaurantes, casas para habitación, viviendas,

edificios de apartamentos u oficinas, hoteles, bardas cuya altura sea mayor de 2.5

metros y todas las construcciones cuya falla por viento pueda poner el peligro a otras

de esta clasificación o de la anterior. Se incluyen también salas de reunión y

espectáculos y estructuras de depósitos, urbanas o industriales, no incluidas en el

Grupo A.

67

De acuerdo con su estabilidad ante los efectos de ráfagas del viento y a su

correspondiente respuesta dinámica, las construcciones se clasifican en cuatro

tipos. Con base a esta clasificación podrá seleccionarse el método para obtener las

cargas de diseño por viento sobre las estructuras y la determinación de efectos

dinámicos suplementarios si es el caso. Se recomienda principalmente dos

procedimientos para definir las cargas de diseño (uno estático y otro dinámico),

TIPO 1. Estructuras poco sensibles a las ráfagas y a los efectos dinámicos del

viento. Abarca todas aquéllas en las que la relación de aspecto . (Definida

como el cociente entre la altura y la menor dimensión en planta), es menor o igual a

cinco y cuyo periodo natural de vibración es menor o igual a un segundo.

Pertenecen a este tipo, por ejemplo, la mayoría de edificios para habitación u

oficinas, bodegas, naves industriales, teatros y auditorios, puentes cortos y

viaductos. En el caso de puentes, constituidos por losas, trabes, armaduras simples

o continuas o arcos, la relación de aspecto se calculará como el cociente entre el

claro mayor y la menor dimensión perpendicular a éste. También incluye las

construcciones cerradas con sistemas de cubierta suficientemente rígidos, es decir,

capaces de resistir las cargas debidas al viento sin que varíe esencialmente su

geometría. Se excluyen las cubiertas flexibles, como las de tipo colgante, a menos

que por la adopción de una geometría adecuada, proporcionada por la aplicación de

preesfuerzo u otra medida conveniente, logre limitarse la respuesta estructural

dinámica.

TIPO 2. Estructuras que por su alta relación de aspecto o las dimensiones reducidas

de su sección transversal son especialmente sensibles a las ráfagas de corta duración

(entre 1 y 5 segundos) y cuyos periodos naturales largos favorecen la ocurrencia de

oscilaciones importantes en la dirección del viento. Dentro de este tipo se cuentan

los edificios con relación de aspecto, , mayor que cinco o con periodo fundamental

mayor que un segundo.

Se incluyen también, por ejemplo, las torres de celosía atirantadas y las auto

soportadas para líneas de transmisión, chimeneas, tanques elevados, antenas, bardas,

parapetos, anuncios y, en general, las construcciones que presentan una

dimensión muy corta paralela a la dirección del viento. Se excluyen aquéllas

que explícitamente se mencionan como pertenecientes a los Tipos 3 y 4.

68

TIPO 3. Estas estructuras, además de reunir todas las características de las del Tipo 2,

presentan oscilaciones importantes transversales al flujo del viento provocadas por

la aparición periódica de vórtices o remolinos con ejes paralelos a la dirección del

viento. En este tipo se incluyen las construcciones y elementos

aproximadamente cilíndricos o prismáticos esbeltos, tales como chimeneas, tuberías

exteriores o elevadas, arbotantes para iluminación, postes de distribución y cables de

líneas de transmisión.

TIPO 4. Estructuras que por su forma o por el largo de los periodos de vibración

(periodos naturales mayores que un segundo). Presentan problemas

aerodinámicos especiales. Entre ellas se hallan las formas aerodinámicamente

inestables como son los plantas generadoras de energía y que, en caso de fallar, no

paralizarían el funcionamiento de la planta. A sí mismo, se consideran en este

grupo las subestaciones eléctricas y las líneas y postes de transmisión de menor

importancia que las del Grupo A.

Grupo C. Estructuras para las que se recomienda un bajo grado de

seguridad. Son aquellas cuya falla no implica graves consecuencias, ni puede causar

dalos a construcciones de los Grupos A y B. Abarca, por ejemplo, no solo bodegas

provisionales, cimbras, carteles, muros aislados y bardas con altura no mayor que

2.5 metros, si no también recubrimientos, tales como cancelerías y elementos

estructurales que formen parte de las fachadas de las construcciones, siempre y

cuando no representen un peligro que pueda causar daños corporales o materiales

importantes en caso de desprendimiento. Si por el contrario, las consecuencias de su

desprendimiento son graves, dichos recubrimientos se analizarán utilizando las

presiones de diseño de la estructura principal.

Cables de las líneas de transmisión - cuya sección transversal se ve modificada de

manera desfavorable en zonas sometidas a heladas- las tuberías colgantes y las

antenas parabólicas. También pertenecen a esta clasificación las cubiertas colgantes

que no puedan incluirse en tipo 1 y las estructuras flexibles con periodos de vibración

próximos entre sí.

69

5.4 Efectos del viento que deben considerarse.

A continuación se mencionan los efectos que según el tipo de construcción de

deberán tomar en cuenta en el diseño de estructuras sometidas a la acción del viento.

I. Empujes medios.

Son los causados por presiones y succiones del flujo del viento prácticamente

laminar, tanto exteriores como interiores y cuyos efectos son globales (para el diseño

de la estructura en conjunto) y locales (para el diseño de un elemento

estructural o de recubrimiento en particular). Se considera que estos empujes

actúan en forma estática ya que se variación en el tiempo es despreciable.

II. Empujes dinámicos en la dirección del viento.

Consisten en fuerzas dinámicas paralelas al flujo principal causadas por la

turbulencia del viento y cuya fluctuación en el tiempo influye de manera importante en

la respuesta estructural.

III. Vibraciones transversales al flujo.

La presencia de cuerpos en particular cilíndricos o prismáticos, dentro del flujo del

viento, genera entre otros efectos de desprendimientos de vórtices alternantes que a

su vez provocan sobre los mismos cuerpos, fuerzas y vibraciones transversales a la

dirección del flujo.

IV. Inestabilidad aerodinámica.

70

Se define como la amplificación dinámica de la respuesta estructural causada por los

efectos combinados de la geometría de la construcción y los distintos ángulos de

incidencia del viento.

En el diseño de las estructuras pertenecientes al Tipo 1, bastará con tener en cuenta

los empujes medios (estáticos) calculados de acuerdo con lo establecido en el

tema de presiones y fuerzas debidas a la acción del viento visto más adelante y

empleando las velocidades de diseño que se especifican posteriormente.

Para diseñar alas construcciones del Tipo 2 se considerarán los efectos dinámicos

causados por la turbulencia del viento. Estos se tomarán en cuenta mediante la

aplicación del factor de respuesta dinámica debida a ráfagas.

Las estructuras del Tipo 3 deberán diseñarse de acuerdo con los criterios

establecidos para las del Tipo 2, pero además deberá revisarse su capacidad para

resistir los empujes dinámicos transversales generados por los vórtices alternantes.

Finalmente, para las del Tipo 4 los efectos del viento se determinarán por medio de

estudios representativos analíticos o experimentales; pero en ningún caso, los

efectos resultantes podrán ser menores que los especificados para las construcciones

del Tipo 3.

En las construcciones de forma geométrica poco usual y de características que las

hagan particularmente sensibles a los efectos del viento, en el cálculo de dichos

efectos se basará en los resultados de los ensayes de prototipo o de modelos en

túnel de viento. Asimismo, podrán tomarse como base los resultados existentes de

ensayes en modelos de estructuras con características semejantes.

Los procedimientos de los ensayes en túnel de viento y la interpretación de los

resultados seguirán las técnicas actuales ya reconocidas, tales como los de la

referencia del tema Determinación de las velocidades de diseño, VD , las cuales

deben ser aprobadas por expertos en la materia y por las autoridades

correspondientes.

71

5.5 PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR LAS ACCIONES POR VIENTO.

A fin de evaluar las fuerzas provocadas por la acción del viento, se proponen

principalmente dos procedimientos. El primero, referido como análisis estático, se

empleará cuando se trate de estructuras o elementos estructurales suficientemente

rígidos, que son sean sensibles a los efectos dinámicos del viento. En caso

contrario, deberá utilizarse el segundo procedimientos llamado análisis dinámico,

en el cual se afirma que una construcción o elemento estructural es sensible a

los efectos dinámicos del viento cuando no se presentan fuerzas importantes

provenientes de la interacción dinámica entre el viento y la estructura.

Un tercer procedimiento para evaluar la acción del viento sobre las construcciones

consiste en llevar a cabo pruebas experimentales de modelos en túnel del viento.

Estas pruebas deben de realizar cuando se desee conocer la respuesta dinámica

de estructuras cuya geometría sea marcadamente diferente de las formas comunes

para las cuales existe información disponible en los reglamentos o en la literatura.

También se aconseja cuando es necesario calcular coeficientes de presión para

diseñar recubrimientos de estructuras que tengan una forma poco común.

En figura siguiente se muestra un diagrama de flujo de los pasos a seguir para

evaluar las cargas ocasionadas por la acción del viento y que deberán considerarse

en el diseño de estructuras resistentes a dicha acción.

TABLA 1. CATEGORIA DEL TERRENO SEGÚN SU RUGOSIDAD

CATEGORIA DESCRIPCION EJEMPLO LIMITACIONES

1 Terreno abierto, prácticamente plano y sin obstrucciones

Franjas costeras planas, zonas de pantanos, campos aéreos, pastizales y tierras de cultivo sin setos o bardas alrededor. Superficies nevadas planas.

La longitud mínima de este tipo de terreno en la dirección del viento debe ser de 2000 m o 10 veces la altura de la construcción por diseñar, la que sea mayor.

2 Terreno plano u ondulado con pocas obstrucciones

Campos de cultivo o granjas con pocas obstrucciones tales como setos o bardas alrededor, árboles y construcciones dispersas.

Las obstrucciones tienen alturas de 1.5 a 10 m, en una longitud mínima de 1500 m.

3 Terreno cubierto por numerosas obstrucciones estrechamente

Áreas urbanas, suburbanas y de bosques, o cualquier terreno con

Las obstrucciones presentan alturas de 3 a 5 m. la longitud mínima de este tipo de

72

espaciadas numerosas obstrucciones estrechamente espaciadas. El tamaño de

terreno en la dirección

4 Terreno cubierto por numerosas obstrucciones estrechamente espaciadas

Centros de grandes ciudades y complejos industriales bien desarrollados.

Por lo menos el 50% de los edificios tienen una altura mayor que 20m. Las obstrucciones miden de 10 a 30m de altura. La longitud mínima de este tipo de terreno en la dirección del viento debe ser la mayor entre 400 a 10 veces la altura de la construcción.

TABLA 2. CLASE DE ESTRUCTURA SEGÚN SU TAMAÑO

Clase Descripción

A Todo elemento de recubrimiento de fachadas, de ventanerías y de

techumbre y

sus respectivos sujetadores. Todo elemento estructural aislado,

expuesto

directamente a la acción del viento. A sí mismo, todas las construcciones

cuya

mayor dimensión, ya sea horizontal o vertical, sea menor que 20 metros.

B Vertical, varíe entre 20 y 50 metros.

C Todas las construcciones cuya mayor dimensión, ya sea horizontal o

vertical,

sea menor que 50 metros.

En los mapas de isotacas con diferentes periodos de retorno, dicha velocidad se

refiere a condiciones homogéneas que corresponden a una altura de 10 metros

sobre la superficie del suelo en terreno plano (Categoría 2 según la tabla 1); es decir,

no considera las características de rugosidad locales del terreno ni la topografía

especifica del sitio. Asimismo, dicha velocidad se asocia con ráfagas de 3

segundos y toma en cuenta la posibilidad de que se presenten vientos debidos a

huracanes en las zonas costeras.

La figura siguiente muestra el mapa isotaca regional correspondiente al periodo de

recurrencia de 50 años que utilizaremos en nuestro análisis, También se muestra

una tabla con las principales ciudades del país y sus correspondientes velocidades

regionales para diferentes períodos de retorno.

La importancia de las estructuras dictamina los periodos de recurrencia que deberán

considerarse para el diseño por viento; de esta manera, los Grupos A, B, y C se

asocian con los periodos de retorno de 200, 50 y 10 años, respectivamente. El

sitio de desplante se localizará en el mapa con el periodo de recurrencia que

73

corresponde al grupo al que pertenece la estructura a fin de obtener la velocidad

regional.

74

75

Tabla con las principales ciudades del país y sus correspondientes velocidades

regionales para diferentes períodos de retorno.

VELOCIDADES REGIONALES DE LAS CIUDADES MÁS IMPORTANTES

Ciudad

Núm.

Obs.

Velocidades (km/h)

V10 V50 V100 V200 V2000

Acapulco, Gro. 12002 129 162 172 181 209

Aguascalientes, Ags. 1001 118 141 151 160 189

Campeche, Camp. 4003 98 132 146 159 195

Cd. Guzmán, Jal. 14030 101 120 126 132 155

*Cd. Juárez, Chih. 116 144 152 158 171

Cd. Obregón, Son. 26020 147 169 177 186 211

Cd. Victoria, Tamps. 28165 135 170 184 197 235

Coatzacoalcos, Ver. 30027 117 130 137 145 180

Colima, Col. 6006 105 128 138 147 174

Colotlán, Jal. 14032 131 148 155 161 178

Comitán, Chis. 7025 72 99 112 124 160

Cozumel, Q. Roo. 23005 124 158 173 185 213

*Cuernavaca, Mor. 17726 93 108 114 120 139

Culiacán, Sin. 25014 94 118 128 140 165

Chapingo, Edo. Méx. 15021 91 110 118 126 150

Chetumal, Q. Roo. 23006 119 150 161 180 220

Chihuahua, Chih. 8040 122 136 142 147 165

Chilpancingo, Gro. 12033 109 120 127 131 144

Durango, Dgo. 10017 106 117 122 126 140

Ensenada, B.C. 2025 100 148 170 190 247

Guadalajara, Jal. 14065 146 164 170 176 192

Guanajuato, Gto. 11024 127 140 144 148 158

*Guaymas, Son. 26039 130 160 174 190 237

Hermosillo, Son. 26040 122 151 164 179 228

Jalapa, Ver. 30075 118 137 145 152 180

La Paz, B.C. 3026 135 171 182 200 227

Lagos de Móreno, Jal. 14083 118 130 135 141 157

*León, Gto. 11025 127 140 144 148 157

Manzanillo, Col. 6018 110 158 177 195 240

Mazatlán, Sin. 25062 145 213 225 240 277

76

VELOCIDADES REGIONALES DE LAS CIUDADES MÁS IMPORTANTES

Ciudad

Núm

Obs.

Velocidades (km/h)

V10 V50 V100 V200 V2000

Mérida, yuc. 31019 122 156 174 186 214

*Mexicali, B.C. 100 149 170 190 240

México D.F. 9048 98 115 120 129 150

*Monclova, Coah. 5019 123 145 151 159 184

Monterrey, N.L. 19052 123 143 151 158 182

Morelia, Mich. 16080 79 92 97 102 114

Nvo. Casas Gdes, Chih. 8107 117 134 141 148 169

Oaxaca, Oax. 20078 104 114 120 122 140

Orizaba, Ver. 30120 126 153 163 172 198

Pachuca, Hgo. 13022 117 128 133 137 148

*Parral de Hgo., Chih. 121 141 149 157 181

Piedras Negras, Coah. 5025 137 155 161 168 188

Progreso, Yuc. 31023 103 163 181 198 240

Puebla, Pue. 21120 93 106 112 117 132

Puerto Cortés, B.C. 3046 129 155 164 172 196

*Puerto Vallarta, Jal. 14116 108 146 159 171 203

Querétaro, Qro. 22013 103 118 124 131 147

Río Verde, SLP. 24062 84 111 122 130 156

Salina Cruz, Oax. 20100 109 126 135 146 182

Saltillo, Coah. 5034 111 124 133 142 165

S.C. de las Casas, Chis. 7144 75 92 100 105 126

S. Luis Potosí, SLP. 24070 126 141 147 153 169

S. la Marina, Tamps. 28092 130 167 185 204 252

Tampico, Tamps 28110 129 180 177 193 238

Tamuín, SLP. 24140 121 138 145 155 172

Tapachula, Chis. 7164 90 111 121 132 167

Tepic, Nay 18039 84 102 108 115 134

Tlaxcala Tlax. 29031 87 102 108 113 131

Toluca, Edo / Méx. 15126 81 93 97 102 115

Torreón, Coah. 5040 136 168 180 193 229

Tulancingo, Hgo. 13041 92 106 110 116 130

Tuxpan, Ver. 30190 122 151 161 172 204 *Tuxtla Gutz., Chis. 7165 90 106 110 120 141

Valladolid, Yuc. 31036 100 163 180 198 240

Veracruz,. Ver 30192 150 175 185 194 222

*Villahermosa, Tab. 27083 114 127 132 138 151

Zacatecas, Zac. 32031 110 122 127 131 143 NOTA:

77

(*) En estas ciudades no existen o son escasos, los registros de velocidades de viento,

por lo que éstas se obtuvieron de los mapas de isotacas.

5.6 ANÁLISIS ESTÁTICO.

Los empujes medios que se evalúan con este procedimiento son aplicables al

diseño de las estructuras pertenecientes al Tipo 1.

Limitaciones.

El método estático sólo puede utilizarse para diseñar estructuras o elementos

estructurales poco sensibles a la acción turbulenta del viento, Esta condición se

satisface cuando: dimensión mínima de la base, y

b) el período fundamental de la estructura es menor o igual que un segundo.

Para el caso de construcciones cerradas, techos aislados y toldos y cubiertas

adyacentes, no es necesario calcular su período fundamental cuando se cumplan

las siguientes condiciones.

a) la altura total de la construcción, H. es menor o igual que 15 metros,

b) La planta de la estructura es rectangular o formada por una combinación de

rectángulos.

c) La relación H D es menor que cuatro para construcciones cerradas y menor que

uno para techos aislados; para toldos y cubiertas adyacentes en voladizo, el claro no

debe ser mayor que 5m.

d) Para construcciones cerradas y techos aislados, la pendiente de sus techos-

inclinados o a dos aguas – no debe exceder los 20°, y en techos de claros múltiples

deberá ser menor que 60°; para toldos y cubiertas adyacentes, la pendiente no será

mayor que 5°

Aplicando al proyecto en estudio tenemos:

En el inciso a) H =10.10 m. D = 22.75 =10.10 / 22.75 = 0.44 < 5

No es necesario calcular el periodo fundamental de la estructura si se cumplen los

siguientes puntos.

78

a) H = 10.10 m. < 15.0 m.

b) La planta de la estructura es rectangular.

c) H =10.10 m. D = 22.75 =10.10 / 22.75 = 0.44 < 4

d) Pendiente 16° < 20°7

En conclusión utilizaremos el método de Análisis Estático ya que la nave

industrial cumple con todos los requisitos solicitados

Presiones y fuerzas debidas a la acción del viento. V.8.2.1 Empujes medios.

Alcance.

Los empujes medios (estáticos) evaluados de acuerdo con lo especificado se

aplican en el diseño de estructuras pertenecientes al Tipo 1. Inciso V.4. Asimismo, aquí

se presentan las recomendaciones para calcular las presiones de diseño de

cancelerías, elementos de fachada y recubrimientos de las construcciones Tipos 1,2 y

3.

Fuerzas sobre construcciones cerradas.

Para fines prácticos, una estructura cerrada es la que se compone de muros y

techos a una o dos aguas, dispuestos de tal manera que forman una

construcción prismática; dichos techos y muros no necesariamente son

impermeables, pueden tener aberturas, tales como ventanas o puertas, por donde el

flujo del viento puede penetrar y generar presiones interiores. Así mismo, una

estructura de planta rectangular en la que uno de sus lados está completamente

abierto se considera como cerrada con una abertura dominante en ese lado.

Cuando se tenga una construcción de tres muros o menos, éstos se diseñarán

como elementos aislados.

Las fuerzas que se ejercen sobre los elementos de estructuras cerradas, muros y

techos, serán las resultantes de las presiones actuantes sobre sus superficies

exteriores e interiores y deberán calcularse de acuerdo con la siguiente ecuación:

En donde:

79

Fe Es la fuerza de viento que actúan perpendicularmente a la superficie de un

elemento de la construcción, en Kg.

PZ La presión de diseño a la altura Z, en Kg/m².

Pe La presión exterior, en kg/m² Vista más adelante.

Pi La presión interior, en kg/m² Vista más adelante.

Pn La presión neta, en kg/m²

Az El área de la estructura, o a partir de ella, en m², a la altura Z, sobre la que

actúa la presión de diseño, Pz . Ella corresponderá:

a) A una parte de alguna de las superficies de la construcción; la presión de diseño

que corresponda a una velocidad y dirección del viento dada, se verá afectada por

el coeficiente de presión, vez depende de la forma de la estructura

b) A la superficie de la construcción o de un elemento estructural, proyectada

sobre un plano normal al flujo del viento; la presión de diseño se verá afectada por

el coeficiente de arrastre, forma de la construcción o del elementos estructura a las

superficies que se indiquen en los incisos correspondientes.

Las fuerzas y los momentos de volteo totales que actúan sobre una construcción

deberán obtenerse sumando los efectos de las presiones exteriores e interiores, o de

las presiones netas, que se presentan sobre sus superficies.

Presiones Exteriores.

La presión exterior, Pe , sobre una de las superficies de construcción cerrada se

calculará utilizando la siguiente ecuación:

Pe CPe K A K L q z

80

En dónde:

Pe Es la presión exterior, en kg/m²

El coeficiente de presión, adimensional,

El factor de reducción de presión por tamaño de área, adimensional,

El factor de presión local, adimensional, y

La presión dinámica de base del viento, en kg/m²

Los valores del coeficiente de presión exterior que se presenta en este tema se

refieren a las construcciones con planta rectangular cerrada. Si se adoptan otros

valores.

a) Permeabilidad. Si en una estructura existen huecos o hendiduras que permitan

que el flujo de viento penetré a su interior, entonces se presentan presiones

interiores que pueden alcanzar magnitudes importantes o actuar simultáneamente

con las exteriores provocando condiciones desfavorables, por lo que deberán

tomarse en cuenta, la permeabilidad de una superficie se define como el cociente

entre el área de las hendiduras y huecos, resultado de las tolerancias normales de

la construcción, y el área total de esa superficie; dado que en la práctica es difícil

evaluarla, en la tabla 13a se incluyen los diferentes casos que, en forma

cualitativa, toman en cuenta la permeabilidad de las superficies expuestas.

b) Aberturas. Se consideran como tales las puertas y ventanas abiertas, ventilas

para aire acondicionado y sistemas de ventilación, y aberturas en los recubrimientos,

entre otras.75

c) Aberturas dominantes. Se presentan sobre una superficie donde la suma de sus

áreas excede la suma de las áreas de las aberturas de cualquiera de las otras

superficies; una abertura dominante no necesariamente es grande.

En regiones propensas a ciclones, las ventanas deberán considerarse como

aberturas, a menos de que sean capaces de resistir el impacto de una pieza de

madera de 4 kg y 100 mm x 50 mm de sección transversal, que la golpee a una

velocidad de 15 m/s. Este requisito puede ser diferente en el caso de las

estructuras especiales, en cuyo caso deberá justificarse el empleo de otros valores.

81

UNIDAD VI

CONSIDERACIONES GENERALES

6.1 ANTECEDENTES

Actualmente los profesionistas dedicados a la fabricación de Naves Industriales,

Ingenieros Mecánicos, nos enfrentamos con varias consideraciones previas al inicio de

un proyecto, por lo tanto se debe de hacer un análisis detallado de dichas

consideraciones para enfocar la solución a la optimización de los recursos.

6.2 CONSIDERACIONES PREDIALES.

Para conocer las características del predio lo primero que se hará es una visita

al sitio en estudio, para lo cual se deberá contar con un documento que

compruebe la propiedad del terreno, ya sea la escrituración o algún otro documento,

en el que se indique su localización, dimensiones, superficie y orientación. Con la

información anterior junto con las principales vías de acceso y el estado actual del

predio se realiza un plano de la zona donde se encuentra el terreno.

Del estado actual del predio se deben tomar en cuenta distintos puntos como son: la

vegetación que presenta el terreno, la pendientes que encontramos en él, hecho a

simple vista y con algo de experiencia se puede obtener la idea de la cantidad del

movimiento de tierras, ubicar los muros de contención que se utilizarán ó una

simple excavación superficial, la profundidad de despalme del terreno, etcétera.

Se deben verificar también los servicios municipales, redes de agua potable y

alcantarillado, diámetros y profundidad del colector, redes distribuidoras de

energía eléctrica, telefónica así como las de gas.

82

Especial interés merece la información respecto al drenaje, ya que el diseño del

albañal influirá en los niveles de piso terminado, pendientes, localización de

muebles sanitarios y de descargas.

6.3 COLINDANCIAS.

Necesitamos la investigación y el estudio de las construcciones existentes (si las

hay) alrededor del predio para determinar el tipo de terreno sobre el cual están

asentadas, conocer el estado en el que se han mantenido después de construidas y el

uso o fin de estos edificios.

Se necesita también observar el estado de las construcciones cercanas para

conocer posibles fallas en el terreno, defectos en el sistema o fallas en la construcción

como pueden ser desplomes que afecten nuestra construcción.

Para un buen desarrollo del proyecto, es imprescindible tomar las cotas necesarias

para localizar entradas, acometidas, medidas de banquetas, distancias de postes,

árboles, alcantarillas, medida de frente o frentes de lote, niveles adecuados de

banqueta, arrollo y del predio pues debemos considerar que las avenidas son también

colindancias de nuestro terreno.

6.4 TOPOGRAFÍA.

La importancia de realzar un levantamiento topográfico, para conocer las

características generales del proyecto (dimensiones ángulos, pendientes,

orientación, localización, etc.) Siempre es importante que el proyecto que se quiera

desarrollar sea lo más apegado posible a la topografía del terreno y con eso evitar

movimientos de tierra de gran volumen, puesto que resulta muy costoso.

6.5 PROYECTO ARQUITECTÓNICO.

83

Es la distribución de espacios del proyecto a edificar, se recomienda que en el

proyecto arquitectónico participen un Arquitecto como un Ingeniero, con el objetivo

de facilitar el diseño estructural y no tener que cambiar el proyecto una y otra vez, para

que la construcción cumpla con todas la necesidades estructurales.

Después de haber aprobado el anteproyecto, se procede a la elaboración de

los planos constructivos a escala, siendo estos los definitivos que componen el

proyecto arquitectónico, dichos planos deberán resolverse de tal manera que sean

claros y que estén bien acotados para el cálculo estructural, normalmente los planos

que se desarrollan son: Plantas de localización, plantas de conjunto, plantas de

distribución, planos de fachadas, planos de cortes arquitectónicos, planos de cortes

por fachada, plantas de azotea, planos de acabados, planos de cancelería y

ventaneria, planos de herrería, planos de carpintería, planos de obras exteriores.

6.6 MECÁNICA DE SUELOS.

El estudio de mecánica de suelos, se hace indispensable para el desarrollo del diseño

estructural, pues el terreno deberá ser capaz de soportar todo el peso de la

construcción.

Este estudio nos da la información de las características estratigráficas del subsuelo,

así como también datos relevantes para el desarrollo del proyecto estructural como

son: recomendaciones de cimentación, capacidad de carga del terreno, la posición

del nivel freático, etc.

De acuerdo con la obra que se pretenda construir, puede ser necesario conocer las

características del subsuelo y la investigación geológica que se requiera, sin

olvidar que algunos suelos pueden presentar problemas por encontrar una estructura

engañosa, es decir, que pueden presentar fisuras e incluso cavernas dentro del

subsuelo.

6.7 PROYECTO ESTRUCTURAL.

Al terminar un anteproyecto arquitectónico, la siguiente etapa es la del análisis y

diseño estructural, a la que llamaremos tan solo “cálculo” que es el tema central de

esta tesis.

84

Para conseguir que la optimización de la construcción, el ingeniero estructurista

debe cuidar en el proyecto arquitectónico todos los detalles estructurales como

son: ubicación de columnas, trabes y/o vigas, altura de entrepisos, etc.

Dentro de esta etapa del proyecto se tienen que tomar en cuenta todas las

recomendaciones del estudio de mecánica de suelos del terreno en donde se

construirá el inmueble.

Los planos que componen el proyecto estructural son:

1. – Planos de la subestructura (cimentación).

2. – Planos de la superestructura.

Planos de subestructura. Estos planos se componen de los elementos

estructurales que se localizan debajo del nivel de piso terminado como podrían ser:

pilotes, pilas, cajones de cimentación, losas de cimentación, zapatas corridas o

aisladas, contra trabes, cimentación de mampostería, etcétera.

Planos de la superestructura. Estos se componen de los elementos

estructurales que se localizan sobre el nivel de piso terminado como son:

columnas, trabes y/o vigas, muros, etcétera. En estos planos se indica la

estructuración, conexiones, especificaciones, armados, anclajes, etc.

6.8 REGLAMENTOS DE DISEÑO.

No hay que olvidar que el proyecto se debe de apegar a un reglamento de

construcción, por lo tanto es indispensable el conocer los reglamentos de construcción

de la localidad o reglamentos internacionales.

85

Los reglamentos, en general, son elaborados por grupos de especialistas, los que a

su vez son revisados por personas o instituciones interesadas; por lo tanto, un

reglamento refleja el punto de vista de sus redactores, así como los conocimientos

que se tengan en el momento de su elaboración.

Existen en general dos tipos de reglamentos en lo relativo al diseño estructural:

a) Reglamentos funcionales. Éstos son los que fijan los requisitos de

seguridad y funcionamiento; el proyectista tiene la libertad para

cumplirlos de acuerdo con su criterio y su experiencia.

b) Reglamentos prescriptivos. Éstos prescriben en todo detalle

los procedimientos que deben seguirse para lograr el grado de seguridad

deseado.

En su gran mayoría, los reglamentos de diseño en vigencia son prescriptivos: Los

reglamentos, dependiendo de su alcance, pueden abarcar diversos aspectos de la

ingeniería estructural, ya sean de acuerdo con el tipo de estructura o de material.

Ejemplo de estos reglamentos son los siguientes:

Código ACI. American Concrete Institute.

Código AISC. American Institute of Steel Construction.

Código AASHTO. American Association of state Highway and Transportation

Officials.

Código UBC. Uniform Building Code (Proyecto de edificios)

Código CEB. Comité Européen Du Betón (concreto)

86

Existen, por otro lado, reglamentos que rigen una gran variedad de aspectos

industriales y, entre ellos, los estructurales, ejemplo de éstos son las normas alemanas

DIN que regulan una gran cantidad de procesos industriales.

En México, existen varios códigos que reglamentan diversos aspectos del diseño

estructural; así tenemos el Manual de obras civiles editado por la Comisión

Federal de Electricidad y la edición en español del código ACI. Sin embrago, el

reglamento específico para las construcciones urbanas más frecuentemente

empleado es el Reglamento de Construcciones del Distrito Federal (RCDF),

que además sirve de modelo para reglamentaciones en lugares del interior de la

República Mexicana.

El RCDF vigente consta de un cuerpo principal que en su Título V1 se refiere a

aspectos específicos del diseño estructural. Para abarcar los diversos

materiales estructurales fueron emitidas las Normas Técnicas Complementarias (NTC)

Estas normas se dividen en:

NTC. Para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto.

NTC. Para Diseño y Construcción de Estructuras Metálicas.

NTC. Para Diseño y Construcción de Estructuras de Madera.

NTC. Para Diseño y Construcción de Estructuras de

Mampostería.

NTC. Para Diseño y Construcción de Cimentaciones.

NTC. Para el Diseño por Viento.

NTC. Para Diseño por Sismo.

NTC. Para Previsiones Contra Incendio.

qu

e

El RCDF En lo general tiene equivalencia con reglamentos de otros países lo que

permite considerar que el criterio de diseño visto en este texto puede ser de

consulta en otras partes, por ejemplo, en el caso del concreto tenemos el ACI; en

acero, el AISC, etcétera.

87

UNIDAD VII

CONSIDERACIONES DEL PROYECTO

7.1 LEVANTAMIENTO DEL TERRENO

Foto 1

88

Foto 2

Foto 3

89

Foto 4

Foto 5

90

Foto 6

Foto 7

91

7.2 INFORME DE MECÁNICA DE SUELOS

1. - El predio en estudio presenta una topografía variada ya que una parte se

encuentra abrupta con desniveles entre la cota mayor y cota menor de .5 m, otra

zona es sensiblemente plana y finalmente otra zona que tiene desniveles entre

las dos zonas anteriores, de tal forma que podemos mencionar que el predio tiene

actualmente 3 zonas.

La primera de ellas que llamaremos zona A es una plataforma que tiene

aproximadamente la cota .5 m, en promedio, y es sensiblemente horizontal.

La zona B presenta un desnivel con respecto a la zona 1, de .5 m. y se aprecia que

fue rellenada en el pasado, por lo que tiene materiales heterogéneos y de

desperdicio de construcciones.

La zona C presenta poco desnivel con respecto a la segunda plataforma (.30m) y

con respecto a la primera zona A, el desnivel es de .80 m.

2. - El terreno natural que se encuentra bajo los escombros encontrados en el sitio,

tiene desde el punto de vista geológico depósitos de aluvión, es decir materiales que

fueron formados durante inundaciones ocurridas en el pasado.

3. - Los trabajos de exploración geotécnica consistieron en la realización de 4 Pozos a

cielo abierto cuya profundidad máxima fue de 3.0 m.

De la exploración geotécnica realizada en el sitio, se deduce la siguiente secuencia

de estratos obtenida en cada uno de los pozos realizados.

92

Pozo 1. De 0.0 a 0.4 m, se tiene una capa de materia orgánica de color café oscuro y

rellenos de desperdicio en estado suelto.

De 0.40 a 0.9 m, está constituido por una arena fina limosa, de color

café amarillento y de compacidad suelta a media.

De 0.90 a 2.5m, este estrato está formado por arenas finas de compacidad media.

Pozo 2. De 0.0 a 0.30 m, es una capa constituida por rellenos de arena fina café

con materia orgánica y raíces.

De 0.30 a 1.0 m, este estrato está formado por una arena fina limosa de color café

amarillento de compacidad suelta a media.

De 1.0 a 1.5 m, está constituido por arenas finas de compacidad media.

De 1.5 a 2.0 m, capa formada por arenas finas con compacidad suelta a media.

De 0.0 a 3.0 m, es una capa constituida por rellenos de desperdicio de

construcciones mezclada con arena fina café claro con materia orgánica y raíces.

Pozo 3. De 0.0a 3.0 m, es una capa constituida por rellenos de desperdicio de

construcciones mezclada con arena fina café claro con materia orgánica y raíces.

Pozo 4. De 0.0 a 0.6m, es un estrato formado por rellenos de desperdicio de

construcciones mezclada con arena fina café claro.

De 0.6 a 1.0 m es una capa constituida de arenas finas limosas en estado suelto.

93

En conclusión, y tomando como base la experiencia del geólogo que realizo la

exploración geotécnica y a la visita de campo en el sitio, se pueden dar las

siguientes recomendaciones para formar la cimentación de la Nave Industrial.

1. - La zona más conflictiva desde el punto de vista de deformaciones del subsuelo es

la zona B, ya que en esta zona se rellenó con materiales de desecho y no se

compactó en un espesor de al menos 3.0 m. Por lo que en esta zona se deberán

retirar y sustituir por materiales importados de banco o bien aprovechando los

materiales que se puedan cortar de la zona alta C, si cumplen con los requisitos

señalados en el punto 4 de este inciso. En ningún momento se podrán utilizar

materiales blandos, rellenos de basura o de desperdicio de construcciones

2. - La zona A tiene poco espesor de rellenos y de materia orgánica, por lo que se

deberán de retirar éstos en un espesor de 0.3 m, para que después se eleve esta zona

hasta el nivel de desplante de la cimentación con materiales de mejoramiento ya sea

del sitio libres de materia orgánica y de desperdicio de construcciones o de

materiales importados de un banco.

3. - La zona C tiene también poco relleno (0.6 m) según el pozo a cielo abierto 1. Por

lo que esta zona por ser la parte alta del predio, se podrá utilizar como material de corte

para rellenar la zona A o para sustituir materiales de la zona B, previo al retiro del

lugar de los materiales de relleno de las construcciones.

4. - Todos los rellenos a utilizar para formar la plataforma horizontal que recibirá a la

losa de cimentación deberán compactarse al 95% de su peso volumétrico seco

máximo, según la prueba AASHTO variante “A” en capas de 20 cm. de espesor, con

un rodillo liso vibratorio. Durante la colocación de los materiales, se deberá llevar un

estricto control de ellos, por lo que se requiere que se cuente en obra con un

laboratorio de mecánica de suelos que certifique que los materiales del sitio son

94

idóneos para su reutilización. En dado caso de que no sean materiales idóneos para

su reutilización, se deberán colocar los materiales importados de banco con la

calidad que se indica enseguida.

Deberán estar libres de desechos orgánicos u otros escombros contaminados, serán

de baja plasticidad y de dimensión máxima de 51 mm (2”), los cuales deberán cumplir

los requisitos de calidad siguientes:

Contracción Lineal máxima será menor de 3%. Límite líquido será menor de

50%.Valor relativo de soporte mínimo será de 10%.

5. - La posición del nivel freático no se interceptó en los sondeos realizados.

6. - La zona en estudio está considerada dentro de la regionalización sísmica de la

República Mexicana, de aquí que sea relevante considerar el efecto de los temblores

en el diseño de la estructura que se construya y de la cimentación. Por lo anterior y

atendiendo a dicha regionalización sísmica, para esta ciudad, el proyecto se deberá

tomar en cuenta el efecto de los temblores con un coeficiente de diseño sísmico de

0.30, de acuerdo al Manual de diseño de Obras Civiles de la Comisión Federal de

Electricidad, Diseño por Sismo.

7.3 ALCANCES.

Los alcances de este trabajo de diseño estructural comprenden con los siguientes

puntos:

1. – Criterios de estructuración de la edificación.

2. – Análisis del problema y determinación de solicitaciones normales, máximas

y accidentales.

3. – Análisis de los elementos mecánicos de la superestructura y cimentación.

95

4. – Diseño y revisión de los elementos estructurales por servicio y por falla.

5. – Elaboración de planos de diseño.

6. – Elaboración de memoria de cálculo.

7.4 DATOS GENERALES DEL PROYECTO.

El objetivo se encuentra ubicado en Av. Oyamel, Ejidos de Ecatepec, Edo. De

México, y se trata de un taller de cancelaría en aluminio. Por tal motivo, se clasifica

como edificio del subgrupo B.

7.5 CRITERIOS DE ESTRUCTURACIÓN DEL EDIFICIO.

En dirección transversal, el edificio está estructurado a base de marcos de acero

(Columnas y vigas de acero estructural A-50). En dirección longitudinal, la

resistencia y rigidez está proporcionada por marcos contra venteados también de

acero. La techumbre de lamina en la cubierta, soportado por largueros metálicos

trabajando en una sola dirección.

En el área de mezanine se consideró un sistema de piso a base de losacero

soportado por largueros que trabajan en una sola dirección, los cuales, a su vez, se

apoyan sobre vigas de acero estructural. La cimentación se diseño a base de zapatas

aisladas.

7.6 CRITERIOS DE CÀLCULO DEL EDIFICIO.

Para las estructuras de concreto se utilizó el Reglamento de construcciones del

Distrito Federal y sus Normas Técnicas complementarias (RCDF-NTC) quinta edición

Febrero 2005

Para las estructuras de acero se utilizó el reglamento del American Institute of steel

construcción, INC. (AISC), por medio del Diseño por Factor

de Carga y Resistencia(LRFD) 1993.Manual de construcción en acero (IMCA)

diseño por esfuerzos permisibles, cuarta edición, 2005. Reglamento de construcciones

del Distrito Federal y sus Normas Técnicas complementarias (RCDF-NTC) quinta

edición Febrero 2005.

96

Para las consideraciones por viento se utilizó el Manual de diseño de obras civiles

de la Comisión Federal de electricidad (MDOC-CFE) 1993. Reglamento de

construcciones del Distrito Federal y sus Normas Técnicas complementarias (RCDF-

NTC) quinta edición Febrero 2005.

Para las consideraciones por sismo se utilizó el Manual de diseño de obras civiles de

la Comisión Federal de electricidad (MDOC-CFE) 1993. Reglamento de construcciones

del Distrito Federal y sus Normas Técnicas complementarias (RCDF-NTC) quinta

edición Febrero 2005.

Para las carga vivas y de granizo se utilizó. Reglamento de construcciones del

Distrito Federal y sus Normas Técnicas complementarias (RCDF-NTC) quinta

edición Febrero 2005.

Las resistencias de los materiales usados tanto de acero como de concreto

se muestran en los planos estructurales.

La estructura fue analizada, modelando la cimentación mediante de apoyos

empotrados ideales, las barras son modeladas como piezas de eje recto con

características de isotropía constantes.

La propuesta estructural de la cimentación es en base a los resultados obtenidos de

la Mecánica de Suelos. De acuerdo a los datos proporcionados, la capacidad de carga

es de: 10.0 ton/m². El desplante de la cimentación será de 1.5m.

7.7 RESULTADOS DE CÁLCULO.

Los desplazamientos de la estructura son las siguientes: Separación en

x = 2.2 cm.

Separación en

z = 5.62 cm.

97

TOPOLOGÍA DEL MODELO.

VISTA GENERAL DEL MODELO.

98

BARRAS DEL MODELO EN LA CUBIERTA

NODOS DEL MODELO EN LA CUBIERTA

99

BARRAS DEL MODELO EN MEZANINE

NODOS EN MODELO EN MEZANINE

100

ANALISIS DE CARGAS UNITARIAS

PREDIMENSIONAMIENTO.

Para las consideraciones previas al cálculo estructural, principalmente para el análisis

sísmico estático es necesario realizar un pre dimensionamiento de las secciones

estructurales.

En la edificación contamos con dos áreas principalmente, la mezanine y la de

cubierta, de las cuales vamos a obtener secciones preliminares.

101

Para el análisis de las secciones preliminares en el mezanine vamos a analizar la

trabe del eje 2 entre D y E, y la columna del eje D-2, ya que son los más

desfavorables.

1 2

Para el análisis de las trabes del eje 2 tenemos:

Área tributaria = 5.96 x 1.35 =8.05 m²

Carga muerta (Wm) = 273 Kg/m²

Carga Viva Máxima (Wvmáx) =500 Kg/m²

W; es la carga en Kg/m2

102

L; es la longitud en m.

Utilizando los factores de carga del Método LRDF tenemos:

Wu=1.2 Wm+1.6 Wvmáz= (1.2 X 369 Kg/m) + (1.6 X 675 Kg/m) = 1523

Kg/m/1000=1.5 Ton/m.

La carga puntual es de (1.5 Ton/m X 5.96 m) /2 = 4.5 Ton.

Idealizando la estructura y obteniendo los cortantes y momentos tenemos:

103

REVISION DE VIGAS EN MEZANINE

104

Obteniendo el diseño preliminar de la columna utilizando acero A-50.

Se deben de obtener las cargas que se muestran en la siguiente figura.

105

Idealizando la estructura y observando el diagrama de desplazamientos fuera de

escala tenemos:

106

Los resultados Mecánicos son los siguientes:

107

Diseño de la columna:

108

Longitud efectiva de columnas:

109

Esfuerzos críticos para acero A-36 y a-50 en kg/cm²

110

Momentos resistentes de perfiles “IR”.

Para el análisis de las secciones preliminares en la cubierta vamos a analizar la

trabe de eje 4 y la columna del eje H-4, ya que son los más desfavorables.

111

112

113

Revisión de la viga en cubierta:

114

Obteniendo el diseño preliminar de la columna utilizando acero A-50.

Se deben de obtener las cargas que se muestran en la siguiente figura:

En la primera figura la carga ya se obtuvo en el diseño de la viga anterior y el

resultado es el siguiente. 0.53 Ton/m.

Para obtener las cargas de la segunda figura tenemos.

115

Área tributaria= (0.75m X 5.96 m) = 4.47m²

Carga muerta (Wm) = 21 Kg/m²

Carga Viva Máxima (Wvmax) = 40 Kg/m²

Donde atrib; es el área atributaría de la sección a diseñar en m ²

W; es la carga en Kg/m²

L; es la longitud en m.

Idealizando la estructura y observando el diagrama de desplazamientos fuera de

escala tenemos:

116

Los resultados mecánicos son los siguientes:

117

118

Longitudes efectivas de columnas.

119

Esfuerzos críticos para acero A-36 y a-50 en kg/cm²

120

121

Cuantificación de cargas por aéreas

.

122

123

Análisis sísmico por rigideces.

124

125

Rigideces a flexión en mezanine en cm³.

Rigideces de entrepiso Ton/cm.

Rigideces a flexión en cubierta en cm³

126

127

Rigideces a flexión en cubiertas en cm³

128

Rigideces de entrepiso en Ton/cm.

129

Análisis sísmico Fuerzas Cortantes.

130

EDUCCIÓN DEL FACTOR DE COMPORTAMIENTO SÍSMICO

Requisitos de regularidad para una estructura.

1. - Planta sensiblemente simétrica en masas y elementos resistentes con respecto a

dos ejes ortogonales.

Respuesta: Debido a que el diseño estructural contempla una nave industrial con un

pequeño mezanine; cumplimos este punto.0

2. - Relación de altura a menor dimensión de la base menor de 2.5

Respuesta: 10.10m / 25.75m = 0.39; por lo que se cumple con este punto

3. - Relación largo ancho de la base menor de 2.5

Respuesta: 47.67m / 25.75m = 1.85; por lo que se cumple con este punto

4. - En planta no tiene entrantes ni salientes cuya dimensión exceda de 20 por ciento de

la dimensión de la planta medida paralelamente a la dirección que se considera de la

entrante o saliente.

Respuesta: Como la nave industrial no tiene entrantes ni salientes en planta; por lo

que cumplimos con este punto

5. - Cada nivel tiene un sistema de techo o piso rígido y resistente

Respuesta: Como la nave industrial tiene un sistema constructivo en cubierta de

lámina: No se cumple con este punto

6.- No tiene aberturas en sus sistemas de techo o piso cuya dimensión exceda de 20

por ciento de la dimensión en la planta medida paralelamente a la dimensión que se

considere la abertura. Las áreas huecas no ocasionan asimetrías significativas ni

131

difieren en posición de un piso a otro y el área total de aberturas no excede en ningún

nivel de 20 por ciento del área de la planta.

Respuesta: Como la nave industrial no tiene aberturas en sus sistemas de piso o

techo: Cumplimos con este punto.

7. - El peso de cada nivel, incluyendo la cargas viva que debe considerarse para diseño

sísmico, no es mayor que el del piso inmediato inferior ni, excepción hecha del último

nivel de la construcción, es menor que 70 por ciento de dicho peso.

Respuesta: Debido a que el diseño estructural contempla una nave industrial con un

pequeño mezanine; Cumplimos con este punto.

8. - Ningún piso tiene un área, delimitada por los paños exteriores de sus elementos

resistentes verticales, mayor que la de el piso inmediato inferior ni menor que 70 por

ciento de está. Se examine de este último requisito únicamente al último piso de la

construcción.

Respuesta: Como la nave industrial no tiene un área delimitada por los paños

exteriores de sus elementos resistentes verticales se cumple con este punto

9. - Todas las columnas están restringidas en todos los pisos en dos direcciones

ortogonales por diafragmas horizontales y por trabes o losas planas

Respuesta: Todas las columnas de la nave industrial están restringidas en dos

direcciones ortogonales por vigas

10. - La rigidez al corte de ningún entrepiso exceden más de 100 por ciento a la del

entrepiso inmediato inferior

Respuesta: Debido a que el diseño estructural contempla una nave industrial con un

pequeño mezanine; cumplimos con este punto.

11.- En ningún entrepiso la excentricidad torsional calculada estáticamente, en planta

de este entrepiso mediante paralelamente a la excentricidad mencionada, excede del

10 por ciento de la dimensión

132

Respuesta: La máxima excentricidad calculada en el mezanine es nula por lo que se

cumple con este punto

La máxima excentricidad calculada en cubierta es de 6.91 mts sobre el eje (Z), La

longitud en planta sobre ese eje es de 25.75 mts el 10 % de la dimensión anterior es

de 2.58 mts, por lo que no se cumple con este punto

Conclusión: Ya que no se cumplen todos los requisitos de regularidad se considerará que

la nave industrial no es regular por lo tanto las fuerzas no se pueden reducir.

133

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES PERSONALES

Como se pudimos observar en este proyecto los resultados han sido

positivos y se pudo diseñar la estructura para mi nave industrial FORTE

ALUMINIUM.

Por lo que espero que este trabajo sea usado como apoyo o referencia

para poder tener bases para el uso adecuado de materiales de

construcción (acero), así como cálculos necesarios para poder garantizar la

funcionalidad del proyecto.

134

BIBLIOGRAFIA

1.- Meli Piralla Diseño Estructural 2ª Edición, Limusa Noriega Editores, (México D. F. 2004)

2.- Manual de Construcción en Acero, Diseño por Esfuerzos Permisibles 4 ª edición, Limusa, (México, D. F., 2005)

3.- Jack C. Mc Cormac, Diseño de Estructuras de Acero Método LRDF, 2 ª Edición Alfaomega, (México D. F., Enero 2002)

4.- Amal Simón Luis, Betancourt Suarez Maz, Reglamento de Construcción para el Distrito Federal, 5 ª Edición titulo sexto Trillas, (México, D. F., 2005)

5.- Bazan Enrique, Meli Roberto Diseño Sísmico de Edificios sexta reimpresión, Limusa Noriega editores (México D. F., Enero 2003)

6.- Charles G. Salmon John E. Johson Steel Structures Design and Behavior Emphasizing load and Resistance factor Desing 4 ª Edition harper- Collins College publishers.

7.- Jack C. Mc Cormac, Diseño de Estructuras ASD 4 ª Edición, Alfaomega, (México D. F., Julio 2005)

8.- A. Gregorio Arana O. Calculo y Diseño de Edificios con Marcos Rígidos, Claves latinoamericanas, México D. F., agosto del 2002.

135