Estructuras Metalicas

INTRODUCCIÓN

Desde que el acero entra a jugar un papel clave en el proceso de diseño de las estructuras, se convirtió sin duda en un elemento clave que día tras día ha buscado el hombre la manera de mejorarlo, pero que pocos verdaderamente conocen los beneficios y complejidades que se generan al diseñar estructuras en plenamente en aceros.

Es por ello que el curso de estructuras metálicas permite conocer los procedimientos que experimentalmente han demostrado cierto grado de confiabilidad en el diseño de las estructuras metálicas.

En este orden de ideas por medio del presente trabajo se tendrá la oportunidad de diseñar una cercha que actúa en voladizo sobre una columna metálica que reposa sobre otra de mayores dimensiones en concreto. Primeramente se determinaran las cargas que vienen desde la cercha y caen sobre la columna metálica, partiendo del hecho que los elementos satisfacen. Se diseñara posteriormente la columna para luego diseñar la unión de esta a la columna de concreto a través de una platina.

Lo anterior significa un reto considerando que gran parte de los conocimientos aplicados han sido investigados por parte del estudiante en su mayor parte, ya que no se han desarrollado en el curso, pero si bien otra gran parte de estos se han empleado a partir de las teorías vistas en el curso. En esta medida aun tendrá la oportunidad de conocer y detallar mas de cerca las consideraciones adquiridas y los procedimientos empleados de tal manera que pueda adoptar una posición crítica y objetiva del contenido.

EJERCICIO

G.8. Diseñar la columna usando 4 ángulos y celosía. Teniendo en cuenta que: ancho de la columna 30x30, además diseñar el anclaje a la columna de concreto.

Datos adicionales:

Tipo de Cercha: Canaletada de Zinc Galvanizado Cal 22

Separación entre Cerchas: 6 m

Tipo de perfil: ángulos dobles

Carga de viento: 40 Kg/m²

Cálculos de medidas adicionales en la Cercha

Ángulo

Con la ayuda un pequeño esquema que representa una aproximación de la geometría de la cercha, calculamos el ángulo de inclinación.

∝ = cos^(-1)⁡〖9,65/11,4=32,2°〗

Para un mejor detalle de la estructura hacemos un ZOOM de esta como se muestra a continuación:

Calculo de las distancia Xi y Yi

Para la diagonal de 1,7 m

(9,65 m)/(11,4 m )= X1/(1,7 m) X1= 1,44 m

(6,07 m)/(11,4 m )= Y1/(1,7 m) Y1= 0,91 m

Para la diagonal de 1,2 m

(9,65 m)/(11,4 m )= X1/(1,2 m) X1= 1,02 m

(6,07 m)/(11,4 m )= Y1/(1,2 m) Y1= 0,64 m

ANÁLISIS DE CARGA

Carga Viva (CV)

Según el tipo de Lámina y su pendiente se toma la carga viva. En este caso para techo liviano con ángulo de inclinación de 32,17° (Para el sector derecho) y 0° (para el sector izquierdo), por tanto se tiene que la carga viva CV será de 35 Kg/m² y 50 Kg/m² respectivamente, como se muestra en la siguiente tabla:

Carga Muerta (CM)

Se necesita un peso promedio de las correas, área tributaria por correa critica (critica) y peso de la lamina seleccionada (según el material y el perfil).

Para ello hacemos el siguiente análisis para cada caso:

Peso promedio de la correa= 30 Kg/unidad (Para una Longitud de 6m y usando 2#4 superior, 1#5 inferior y celosía doble #3), con altura H= 0,3 m.

Calculamos el área tributaria por correa (ATC), con ayuda de la siguiente expresión:

ATC= Separación entre correas * Separación entre armaduras.

Donde:

Separación entre correas= 1,7 m

Separación entre armaduras= 6 m

Por tanto:

ATC= (1,7 m)*(6m) =10,2 m²

Calculamos el peso unitario de las correas, usando las siguientes expresiones:

Q= q/ATC

Donde:

q= Peso Promedio de la correa = 30 Kg

Reemplazando tenemos que:

Q= (30 Kg)/(10,2 m²) = 2,94 Kg/m²

Peso del tipo de cubierta

Especificaciones de la cubierta.

Tipo de cubierta: Canaleta de Zinc galvanizada cal 22.

(Información detallada en los anexos)

Por tanto: Peso de la Cubierta= 7,37 Kg/ m²

Peso propio de la estructura (PP)

Calculamos el peso propio de la estructura suponiendo que este sea el 10% de la carga muerta más la viva.

PP= 0, 1* (50 Kg/m² + 7, 37 Kg/ m² + 2, 94 Kg/m²) → PP= 6, 03 Kg/m²

Por tanto la carga muerta total de diseño será:

CM = 7, 37 Kg/ m² + 2, 94 Kg/m² + 6, 03 Kg/m² = 16, 34 Kg/m²

Observación: No se prevé cielo raso.

Calculo de las cargas muertas y vivas por medio de áreas aferentes:

Al determinar las cargas por áreas aferentes obtenemos lo siguiente:

Nodo Área aferente C. D C.L C. M x A. Aferente C. V x A. Aferente

1 2,25 16,34 50 36,765 112,5

2 4,5 16,34 50 73,53 225

3 2,25 16,34 50 36,765 112,5

4 5,1 16,34 35 83,334 178,5

5 10,2 16,34 35 166,668 357

6 10,2 16,34 35 166,668 357

7 10,2 16,34 35 166,668 357

8 10,2 16,34 35 166,668 357

9 10,2 16,34 35 166,668 357

10 8,7 16,34 35 142,158 304,5

11 3,6 16,34 35 58,824 126

Donde, el área aferente y la carga aferente, se calculo de la siguiente manera:

Para el nodo 1

El lado aferente es de (0,75 m)/2=0,375 m

Por tanto el área aferente para este nodo es de: (0,375 m)*(6m)=2,25 m²

C.M aferente= 16,34 Kg/m² * 2,25 m² = 36,765 Kg

C.V Carga aferente= 50 Kg/m² * 2,25 m²= 112,5 Kg

De igual manera se hizo para el resto de los nodos.

Carga de Viento

Teniendo que la carga de viento es de 40 Kg/m² y considerando que esta cae perpendicular sobre la cubierta, calculamos la fuerza correspondiente al área aferente.

Determinación de la fuerza de viento para cada nodo.

Nodo Área aferente m² Carga de Viento Kg/m² Carga de viento por área aferente Kg

1 2,25 40 76,184

2 4,5 40 152,368

3 2,25 40 76,184

4 5,1 40 172,684

5 10,2 40 345,368

6 10,2 40 345,368

7 10,2 40 345,368

8 10,2 40 345,368

9 10,2 40 345,368

10 8,7 40 294,579

11 3,6 40 121,895

Donde, la carga aferente, se calculo de la siguiente manera:

Para el nodo 1

Carga aferente= 40 Kg/m² * 2,25 * Cos 32,17°= 76,184 Kg/m²

Nodo 2

Carga aferente= 40 Kg/m² * 4,5 * Cos 32,17°= 152,368 Kg/m²

De igual manera se hizo para el resto de los nodos.

Cabe mencionar que las cargas de viento están inclinadas y por tanto para realizar el análisis de la cercha necesitamos conocer las componentes de las fuerzas, para ello calculamos la componente en x y en y de la fuerza de viento, obteniendo los siguientes resultados:

Nodo Carga de viento por área aferente Kg C Viento X Kg C Viento Y Kg

1 76,184 40,565 64,489

2 152,368 81,130 128,979

3 76,184 40,565 64,489

4 172,684 91,947 146,176

5 345,368 183,894 292,351

6 345,368 183,894 292,351

7 345,368 183,894 292,351

8 345,368 183,894 292,351

9 345,368 183,894 292,351

10 294,579 156,850 249,358

11 121,895 64,904 103,183

Donde la componente en x se calculo multiplicando por el seno de 32,17° y la componente en y se multiplico por el coseno del mismo ángulo, por ejemplo para el nodo 1 tenemos que:

C Viento X = 76,184 Kg* Sen 32, 17° = 40, 565 Kg

C Viento Y= 76,184 Kg* Cos 32, 17° = 64, 489 Kg

COMBINACIONES DE CARGA

Tabla con las Cargas para la determinación de las combinaciones de diseño

C. Viento Y (Kg) C. Muerta (Kg) C. Viva (Kg)

64,489 36,765 112,5

128,979 73,530 225

64,489 36,765 112,5

146,176 83,334 178,5

292,351 166,668 357

292,351 166,668 357

292,351 166,668 357

292,351 166,668 357

292,351 166,668 357

249,358 142,158 304,5

103,183 58,824 126

Para el análisis de cargas se usaron las siguientes combinaciones de carga basadas en el titulo B de la NSR-10:

1,4 D

1,2 D + 1,6 L

1,2 D + 1,0 W + 0,5 L

0,9 D + 1,0 W

Aplicando las combinaciones al conjunto de cargas de la tabla inicial del inciso Combinaciones de carga, obtenemos los siguientes resultados:

CARGAS (Kg)

Nodo Combinación 1 Combinación 2 Combinación 3 Combinación 4

Cercha del lado Izquierdo

1 51,471 224,118 164,857 -31,401

2 102,942 448,236 329,715 -62,802

3 51,471 224,118 164,857 -31,401

Cercha del lado Derecho

4 116,668 385,601 335,426 -71,175

5 233,335 771,202 670,853 -142,350

6 233,335 771,202 670,853 -142,350

7 233,335 771,202 670,853 -142,350

8 233,335 771,202 670,853 -142,350

9 233,335 771,202 670,853 -142,350

10 199,021 657,790 572,198 -121,416

11 82,354 272,189 236,772 -50,241

Por ejemplo para el nodo 1:

1,4 *36,765 Kg = 51,471 Kg

1,2*36,765 Kg + 1,6*112,5 Kg= 224,118 Kg

1,2*36,765 Kg + 1,0*64,489 Kg + 0,5*112,5 Kg = 164,857 Kg

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