INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

Transcripción

1 I n s t i t u t o P o l i t é c n i c o N a c i o n a l La técnica al servicio de la patria Análisis y Diseño Estructural de una Nave Industrial para una Planta de Reciclaje de Desechos Sólidos, bajo efectos de Sismo y Viento con el Criterio del Reglamento de Construcciones del D.F. y sus N.T.C. y el Manual de Diseño de Obras Civiles de la Comisión Federal de Electricidad. Tesis Profesional Que para obtener el título de: Ingeniero Civil Presenta: Fabiola González Flores Asesor de Tesis: Ing. Julio García Carbajal México D.F. Junio de

2 Índice CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN Pág Planteamiento del problema Marco Teórico 5 CAPITULO 2. ANALISIS ESTRUCTURAL 2.1. Descripción de la Estructura Tipos de Solicitaciones Acciones Permanentes Acciones Variables Análisis de Cargas Análisis por Sismo Análisis por Viento Combinaciones de Carga 48 CAPITULO 3. MODELACIÓN DE LA ESTRUCTURA 449 CAPITULO 4. OBTENCIÓN DE ELEMENTOS MECANICOS Y DESPLAZAMIENTOS. 55 CAPITULO 5. DISEÑO Y REVISION DE LA ESTRUCTURA. 66 CONCLUSIONES 86 BIBLIOGRAFIA 87 2

3 Capítulo 1 Introducción Este trabajo de tesis se desarrolló tomando en cuenta la elaboración del proyecto de una Planta de Reciclaje de Desechos sólidos que se ubicara en Av. Culturas Prehispánicas esq. Calle 12, Col. Ampliación Granjas San Antonio Del. Iztapalapa, Distrito Federal. El trabajo consta de análisis teóricos, de la estructura bajo, los criterios del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal y sus Normas Técnicas Complementarias 2004 y del Manual de Diseño de Obras civiles, Diseño por viento de la Comisión Federal de Electricidad y utilizando un software de análisis y diseño Estructural (Staad Proo) para generar un modelo matemático de la estructura. La particularidad del proyecto es el gran claro a cubrir (46.00 m), lo cual se pretende lograr con una estructura a base de marcos rígidos de acero de sección variable unidos entre sí, con vigas IR y canales estándar. El análisis y diseño de esta estructura aportara una metodología que podrá ser útil para profesionistas y estudiantes que requieran realizar proyectos semejantes, ya que no existe bibliografía que contemple todo el proceso de análisis y diseño de naves industriales. 3

4 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Debido a la contaminación desmedida que se genera en el Distrito Federal y la Zona Conurbada, ya que no hemos logrado un desarrollo sustentable como país, es necesario ampliar el sector dedicado al reciclaje de desechos sólidos, por lo que la construcción de una planta de este tipo en el Área de Iztapalapa se justifica de manera inmediata, y nos lleva al siguiente cuestionamiento: Se puede realizar una metodología para el diseño de Naves Industriales, tomando como referencia este proyecto, que contribuya al análisis y diseño de estructuras similares? HIPOTESIS Si, en base al análisis y diseño de una nave industrial para una planta de reciclaje, se puede tomar como referencia el proceso realizado para estructuras similares, que se ubiquen en el distrito Federal y Zona Conurbada OBJETIVOS Los objetivos a alcanzar en el trabajo de tesis: Análisis de la Estructura por acciones gravitacionales y acciones accidentales. (Fuerzas por viento y Fuerzas por sismo) Obtención de Elementos Mecánicos de los elementos estructurales principales y secundarios con ayuda del Software del Staad Pro Diseño de elementos principales (columnas, vigas) y secundarios (largueros y vigas de unión) Diseño de conexiones Diseño de la Cimentación. Revisión de desplazamientos horizontales y verticales 4

5 JUSTIFICACIÓN Debido a la falta de bibliografía que contenga el procedimiento general para el análisis y diseño de naves industriales, es necesario establecer un proceso que sirva de referencia para profesionistas y estudiantes de Ingeniería Civil. METODOLOGIA La metodología a utilizar será la descriptiva: comprende la descripción, registro, análisis e interpretación de la naturaleza actual, y la composición o procesos de los fenómenos. El enfoque se hace sobre conclusiones dominantes o sobre como una persona, grupo o cosa se conduce o funciona en el presente. La investigación descriptiva trabaja sobre realidades de hechos, y su característica fundamental es la de presentarnos una interpretación correcta. 1.2 MARCO TEORICO DESCRIPCION DEL PROYECTO Qué es una Planta de Reciclaje de Residuos Sólidos? El reciclaje consiste en someter de nuevo una materia o un producto ya utilizado a un ciclo de tratamiento total o parcial para obtener una materia prima o un nuevo producto, útil a la comunidad. También se podría definir como la obtención de materias primas a partir de desechos, introduciéndolos de nuevo en el ciclo de reutilización y se produce ante la perspectiva del agotamiento de recursos naturales y para eliminar de forma eficaz los desechos. Por lo tanto una planta de Reciclaje es una instalación de transformación de residuos de forma que puedan volver a ser reintroducidos en el ciclo de producción. 5

6 TIPOS DE NAVES INDUSTRIALES Una Nave Industrial es un conjunto de elementos que se combinan para la construcción periférica de grandes almacenes, depósitos, plantas talleres, etc. En la fabricación de una nave industrial se requiere de estructura metálicas techos aligerados y equipos. Existen diversos tipos de naves industriales que dependen de un sistema estructural que sea seguro y económico. Esta es la fase más difícil y a la vez la mas importante de la Ingeniería Estructural. A menudo se requieren varios estudios independientes de diferentes soluciones antes de decidir cual es la forma (marco, armadura, arco, etc.) más apropiada. Una vez tomada la decisión, se especifican las cargas, materiales, disposición de los miembros y de sus dimensiones de conjunto. Las formas estructurales mayormente utilizadas para solucionar el problema de diseñar una nave industrial, se reducen a las siguientes. Marcos Rígidos. Los marcos rígidos se usan a menudo en edificios y se componen de vigas y columnas que están articuladas o bien son rígidas en sus cimentaciones. Los marcos pueden ser bidimensionales o tridimensionales. La carga en un marco ocasiona flexión en sus miembros, y debido a las conexiones entre barras rígidas, esta estructura es generalmente indeterminada desde el punto de vista del análisis. 6

7 Fig Nave industrial de marco rígido con sección variable. 1 Armaduras y columnas. Cuando se requiere que el claro de una estructura sea grande y su altura no es criterio importante de diseño, puede seleccionarse una armadura. Las armaduras consisten en barras en tensión y elementos esbeltos tipo columna, usualmente dispuestos en forma triangular. Las armaduras planas se componen de miembros situados en el mismo plano y se usan a menudo para puentes y techos, mientras que las armaduras espaciales tienen miembros en tres dimensiones y son apropiadas para grúas y torres. Debido al arreglo geométrico de sus miembros, las cargas que causan la flexión en las armaduras se convierten en fuerza de tensión o compresión en los miembros, y por esto una de las ventajas de la armadura, respecto a una viga, que utiliza menos material para soportar una carga dada, pudiéndose adaptar de varias maneras para soportar una carga impuesta. En las armaduras de cubiertas de naves industriales la carga se transmite a través de los nudos por medio de una serie de largueros. La armadura de 1 Nave Industrial Construcciones MABASA 7

8 cubiertas junto con sus columnas de soporte se llama marco. Ordinariamente, las armaduras de techo están soportadas por columnas de acero, concreto reforzado o por muros de mampostería. Fig Nave industrial de marcos compuestos por armaduras y columnas. 2 Otros sistemas estructurales. Los arcos se constituyen como otra solución. Estas son generalmente utilizadas para cubiertas de naves industriales o hangares, como también en estructuras de puentes. Al igual que los cables, los arcos pueden usarse para reducir los momentos flexionantes en estructuras de grandes claros. Esencialmente un arco es un cable invertido, por lo que recibe su carga principal en compresión aunque, debido a su rigidez debe resistir cierta flexión y fuerza cortante dependiendo de cómo este cargado y conformado. 2 Nave Industrial Nave Industrial Av. Cien Metros

9 Fig Nave industrial de marcos compuestos por arcos y columnas. 3 3 Nave Industrial Nave Industrial Hermenegildo Galeana No

10 Capítulo 2 Análisis Estructural 2.1 DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA La Planta arquitectónica es de forma irregular, las dimensiones son m de largo por m de ancho de un lado reduciendo hasta m, la altura de las columnas son de 6.00 m y la altura del parte aguas será de 7.50 m. La cubierta es a dos pendientes. (Ver anexo 1) La estructura está formada por marcos rígidos de sección variable de acero estructural A 36, con vigas de unión de sección IR y canales estándar para formar los largueros. En base a los criterios de Las Normas Técnicas complementarias de Diseño de Cimentaciones, el proyecto se ubica en la zona II (Transición) de acuerdo a la zonificación del Distrito Federal que fija el artículo 170 del Reglamento de Construcciones. Se propone una cimentación a base de zapatas aisladas con contra trabes de liga. De acuerdo al artículo 139 del título Sexto del Reglamento de Construcciones, el proyecto se clasifica en el grupo B. Construcciones industriales. 10

11 2.2 TIPOS DE SOLICITACIONES Según el Reglamento del Distrito Federal vigente en el art. 151 consideran tres tipos de acciones de acuerdo con la duración en que obran sobre las estructuras con su intensidad máxima: I. Las acciones permanentes son la que obran en forma continua sobre la estructura y cuya intensidad varia poco con el tiempo. Las principales acciones que pertenecen a esta categoría son: las cargas muertas, debidas al peso propio de la estructura y al de los elementos no estructurales de la construcción; el empuje estático de tierras y líquidos que tengan un carácter permanente; y las deformaciones y desplazamientos impuestos a la estructura que varían poco con el tiempo, como los debidos a preesfuerzos o a movimientos diferenciales permanentes de los apoyos; II. Las acciones variables son aquellas que obran sobre la estructura con una intensidad que varia significativamente con el tiempo. Las principales acciones que entran en esta categoría son: la carga viva; los efectos de temperatura; las deformaciones impuestas en los hundimientos diferenciales que tengan una intensidad variable con el tiempo, y las acciones debidas al funcionamiento de maquinaria y equipo, incluyendo los efectos dinámicos que pueden presentarse debido a vibraciones, impacto o frenaje; III. Las acciones accidentales son las que se deben al funcionamiento normal de la edificación y que pueden alcanzar intensidades significativa sólo durante lapsos breves. Pertenecen a esta categoría: las acciones sísmicas; los efectos del viento; los efectos de explosiones, incendios y otros fenómenos que pueden presentarse en casos extraordinarios. 11

12 2.2.1 ACCIONES PERMANENTES Cargas Muertas Se llama carga muerta al conjunto de acciones que se producen por el peso propio de la construcción; incluye el peso de la estructura misma y el de los elementos no estructurales, como los muros divisorios, los revestimientos de piso muros y fachadas, la ventanería, las instalaciones y todos los elementos aquellos que conservan una posición fija en la construcción, de manera que gravitan en forma constante sobre la estructura. La carga muerta es la principal acción permanente. El cálculo de la carga muerta es en general sencillo ya que sólo requiere la determinación de los volúmenes de los distintos componentes de la construcción y su multiplicación por los pesos volumétricos de los materiales constitutivos. En su mayoría las cargas muertas se representan por medio de cargas uniformemente distribuidas sobre las distintas áreas de la construcción, aunque hay casos de cargas lineales y concentradas (equipos fijos). En la tabla 2.1 se incluyen pesos de diversos calibres de lámina galvanizada de IMSA ACCIONES VARIABLES Cargas Vivas CALIBRE ESPESOR PLG. ESPESOR MM PESO X M Tabla Pesos de lámina galvanizada. 4 La carga viva es la que se debe a la operación y uso de la construcción. Incluye, por tanto, todo aquello que no tiene una posición fija y definitiva dentro de la misma y no puede considerarse como carga muerta. Entran así la carga viva el peso y las cargas debidas a muebles, mercancías equipos y personas. La carga viva es la principal acción variable que debe considerarse en el diseño. 4 Pesos de Láminas Proveedor IMSA 12

13 Las cargas vivas de diseño para edificios especificadas por el RCDF se presenta en la siguiente tabla. Tabla 2.2 Cagas vivas unitarias (kg/m 2 ) 5 5 Gaceta Oficial del Distrito Federal, 2004, Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Cimentaciones, GDF, México.p. 9 13

14 Para la aplicación de las cargas vivas unitarias se deberá tomar en consideración las siguientes disposiciones: a) La carga viva máxima W m se deberá emplear para 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 W a se deberá usa para diseño sísmico y por viento y cuando se revisen distribuciones de carga más desfavorables que la uniformemente repartida sobre toda el área; c) Cuando el efecto de la carga viva sea desfavorable para la estabilidad de la estructura, como en el caso de problemas de flotación, volteo y de succión por viento, su intensidad se considerará nula sobre toda el área, a menos que pueda justificarse. CARGAS DE LLUVIA, GRANIZO Y HIELO. La precipitación atmosférica puede producir cargas significativas especialmente en el diseño de los techos. Los reglamentos especifican, cargas equivalentes que corresponden a la ocurrencia de fenómenos atmosféricos y que, por tanto, deben considerarse como acciones accidentales, aunque las cargas puedan permanecer actuando en ocasiones durante periodos relativamente largos. La lluvia puede producir cargas importantes en techos planos cuando hay un mal funcionamiento de los desagües. El valor de la carga viva especificado por el RCDF pluvial produce deflexiones de cierta importancia que hacen que se incremente la cantidad de agua que puede acumularse y por tanto la magnitud de la carga y la deflexión. El valor de la carga viva especificado por el RCDF para techos planos pretende cubrir este efecto; si embargo, especialmente en techos inclinados, la carga de lluvia puede llegar a ser mayor que la carga viva especificada, de manera que conviene diseñar cada porción del techo para la carga producida por toda el agua que puede acumularse si las bajadas pluviales llegan a taparse. 14

15 El granizo, puede deslizarse hacia los valles de techos con pendientes grandes formando acumulaciones que representan cargas apreciables. En la Ciudad de México en más de una ocasión han ocurrido fallas de cubiertas ligeras debido a ese fenómeno. La carga viva en techos inclinados del RCDF intenta cubrir principalmente este efecto, en particular la especificación de que en los valles de techos inclinados debe considerarse una carga de 30 kg/m 2 de proyección horizontal del techo que desagüe hacia el valle. 2.3 ANÁLISIS DE CARGAS Cubierta. Lámina Galvanizada Canal CE standar Lámina cal. 22 (tabla 2.1) 8.00 Instalaciones Carga Muerta Valores en kg/m 2 Carga Viva máxima (Wm) Carga Viva para sismo (Wa) Carga viva media (W) 5.00 Valores en kg/m 2 15

16 Carga de servicio máxima (C.S.G.) Carga de servicio sismo (C.S.S.) Carga de servivio media (C.S.M.) Vigas Principales. Valores en kg/m 2 Considerando los datos del plano arquitectónico, se proponen vigas y columnas de sección I con peralte variable Elemento Area de seccion (m2) No. Vigas Peso Placa (kg/m2) Peso Total (kg) Viga principales , Columnas

17 Elemento Área de sección (m2) No. Vigas Peso Placa (kg/m2) Peso Total (kg) Columnas , Vigas de Unión. tf IR 12X16 bf tw d Elemento Peso de sección (kg/m2) Longitud (m) Peso Total (kg) Vigas de Unión IR 12X , Largueros. Elemento Peso de sección (kg/m2) Longitud (m) Peso Total (kg) Largueros CE 10X ,

18 Realizando el análisis de cargas gravitacionales se obtiene la siguiente descarga: Cubierta 3681x65= 239, Vigas Principales = 110, Columnas = 28, Vigas de Unión = 9, Largueros = 77, , Valores en kg 18

19 2.4 ANALISIS POR SISMO EFECTOS DE LOS SISMOS EN EDIFICIOS. Los sismos son, esencialmente, vibraciones de la corteza terrestre provocadas por fallas subterráneas del suelo. Ocurren varias veces al día en diversas partes del mundo, aunque sólo unos cuantos durante el año son de magnitud suficiente para ocasionar daños significativos en los edificios. Los grandes sismos ocurren con más frecuencia en regiones particulares de la superficie terrestre que se denominan zonas de alta probabilidad. Sin embargo, teóricamente es posible que alguna vez ocurra un gran sismo en cualquier parte de la Tierra. Durante un sismo la superficie del suelo se mueve en todas direcciones. Los efectos más destructivos en estructuras, por lo general, son los movimientos en una dirección paralela a la superficie del suelo (es decir, horizontalmente) debido al hecho de que las estructuras casi siempre se diseñan para cargas verticales de gravedad. Por consiguiente, para fines de diseño, el efecto mayor de un sismo, por lo regular, se considera en función de una fuerza horizontal parecida al efecto del viento. EFECTOS DE LOS SISMOS Los movimientos del suelo provocados por sismos pueden ocasionar varios tipos de efectos perjudiciales. Algunos de los efectos mayores son: Movimiento directo de las estructuras. El movimiento directo es el desplazamiento de la estructura provocado por su conexión al suelo. Los dos efectos principales de este movimiento son un efecto desestabilizante general a causa de la sacudida y el de la fuerza impulsora ocasionada por la inercia de la masa de la estructura. Fallas en la superficie del suelo. Las fallas en la superficie pueden consistir en grietas, desplazamientos verticales, asentamiento general de un área, derrumbes, etc. Ondas sísmicas marinas. Los movimientos del suelo pueden suscitar ondas en la superficie de cuerpos de agua que pueden provocar daños de consideración en áreas costeras. 19

20 Inundaciones, incendios, explosiones, etc. Las fallas o movimientos del suelo pueden provocar daños en presas, embalses, márgenes de ríos, tuberías subterráneas, etc., que pueden producir diversas formas de desastre. El efecto de la fuerza provocado por el movimiento, es directamente proporcional al peso muerto de la estructura o, al peso sustentado por la estructura. Este peso también determina, parcialmente, el carácter de respuesta dinámica de la estructura. Las otras influencias importantes en la respuesta de la estructura son su periodo fundamental de vibración y su eficiencia de absorción de energía. El periodo de vibración está determinado, por la masa, la rigidez y el tamaño de la estructura. La eficiencia energética está determinada por la elasticidad de la estructura y por varios factores, tales como la rigidez de los apoyos, el número de partes que se mueven independientemente y la rigidez de las conexiones. Si se sacude un asta bandera con un objeto pesado en la parte superior con el intento de quebrarla, pronto se aprenderá a sincronizar los empujes y jalones con la tendencia natural del asta a vibrar de un lado a otro con un ritmo determinado, que es su periodo fundamental. Si tiende a balancearse de un lado a otro un ciclo completo una vez por segundo cuando se jala y deja de vibrar, tendrá un periodo fundamental de un segundo. Sí se puede predecir de manera aproximada la velocidad con que se sacudirá el suelo, lo cual es similar a controlar la velocidad o ritmo con que se sacude la base del asta, así se podría ajustar el ritmo con que el asta vibrará naturalmente, de tal manera que los dos puedan o no coincidir. Si coinciden, entonces las dimensiones del balanceo se harán más grandes; se dice que el asta entra en resonancia y las cargas sobre ella aumentarán. 20

21 El movimiento del suelo impartirá al edificio vibraciones similares a las que se producen al sacudir el asta de bandera. Los períodos fundamentales de las estructuras pueden fluctuar de aproximadamente seg. Para una pieza de equipo bien anclada, 0.1 para un marco sencillo de un piso, 0.5 para una estructura baja de hasta cuatro pisos, y entre 1 y 2 segundos para un edificio alto de 10 a 20 pisos. Un tanque de agua sobre solo apoyo puede tener un período fundamental de 4 segundos, el de una torre de perforación fuera de la costa estará entre 2.5 a 6 segundos y un gran puente colgante puede tener un período de cerca de 6 segundos. (Ver Figura 2.1) Figura 2.1. Periodos fundamentales de diversas estructuras. 7 Una relación de mayor interés es la que ocurre entre el periodo de la estructura y el del sismo. La figura 2.2 muestra una serie de curvas, denominadas curvas espectrales, que representan esta relación tal como se derivó de un gran número de reproducciones de sismos en estructuras con diferentes periodos. La curva superior representa el mayor efecto en una estructura sin amortiguamiento. El amortiguamiento produce una reducción 7 Arnold, Christopher y reitherman Robert, Configuración y Diseño Sísmico de Edificios, 1era edición, México, Editorial Limusa. p.40 21

22 de la magnitud de los efectos, sin embargo, se conserva la adhesión general a la forma básica de la respuesta. Figura 2.2. Grafica de respuesta espectral. 8 En la figura 2.3 se muestra una serie de péndulos en voladizo cuyos periodos crecen hacia la derecha. Si se supone que están unidos a una base móvil, y ésta se desplaza para presentar el movimiento de un sismo, tal como se registra en un sismógrafo, entonces se podrá registrar la respuesta máxima de cada péndulo, es decir, el tiempo y la frecuencia particular durante el sismo en que cada péndulo tenderá a resonar con vibración de máxima amplitud. Estas respuestas máximas se pueden graficar en función de los períodos del péndulo y se obtendrá una curva, o espectro de respuesta, que relaciona la naturaleza del movimiento del suelo con un intervalo de períodos naturales. Cada lugar tendrá un espectro de respuesta diferente en términos de magnitud, tipo de movimiento del suelo y distancia al deslizamiento de la falla para cada sismo que se grafique. 8 Ambrose, James, Estructuras, 1era edición, México, Editorial Limusa. p

23 Una estructura, también puede tener más de un periodo, aun cuando los factores permanecen constantes. Hay modos de vibración más altos en que la estructura experimentará deflexiones con más ondulaciones y no solo flexión de un lado para otro. Aunque por lo general el primer modo, movimiento simple de un lado a otro, es el período fundamental de interés estructural, los modos superiores pueden ser importantes para los edificios angostos y altos. La interpretación general del efecto espectral es que el sismo tiene su efecto mayor de fuerza directa en edificios con periodos cortos. Éstos tienden a ser edificios con sistemas resistentes laterales rígidos, por ejemplo, muros de cortante y marcos arriostrados en X y edificios bajos, de perfil voluminoso, o con ambas características. En estructuras flexibles, muy grandes, por ejemplo torres altas o rascacielos, el periodo puede ser tan largo que la estructura produce un efecto de látigo, con diversas partes de la estructura moviéndose en direcciones opuestas al mismo tiempo. Los tres casos generales de respuesta estructural se ilustran en la figura 2.4. Recurriendo a las curvas espectrales, en edificios con un periodo por debajo del que representa la terminación superior de las curvas (aproximadamente 0.3 s), la respuesta es la de una estructura rígida sin prácticamente ninguna flexión. En edificios con un periodo ligeramente más alto, se reduce en parte el efecto de la fuerza causado por el ligero dar de si del edificio y su consumo parcial en su propio movimiento de la fuerza inducida por el movimiento del suelo. A medida que se incrementa el periodo del edificio, el comportamiento se aproxima al de la torre esbelta. 23

24 Figura 2.4. Respuesta sísmica de edificios. 9 El movimiento del suelo no daña al edificio por un impacto similar al de una bola de un demoledor, o por presión aplicada externamente, como la del viento si no de fuerzas de inercia generadas internamente causadas por la vibración de la masa del edificio. La masa, tamaño y forma del edificio (su configuración) determinan parcialmente tanto la naturaleza de estas fuerzas como la manera en que serán resistidas. Las fuerzas de inercia son el producto de la masa por la aceleración (F=mxa de Newton). La aceleración es el cambio de la velocidad (o la velocidad en determinada dirección) en función del tiempo, y es una función de la naturaleza del temblor. La masa es una característica del edificio. Puesto que las fuerzas son de inercia, por lo general un aumento en la masa produce un aumento de fuerza, de allí la virtud inmediata del uso de la construcción de peso ligero como un enfoque del diseño sísmico. Además del movimiento de la estructura en conjunto, hay movimientos independientes de partes individuales. Cada una de éstas tiene sus propios periodos de vibración y el movimiento total que se produce en la estructura puede ser, bastante complejo cuando se compone de varias partes flexibles. 9 Ambrose, James, Estructuras, 1era edición, México, Editorial Limusa. p

25 ANALISIS SISMICO ESTATICO. El diseño sísmico de edificios debe seguir las prescripciones del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal. El primer paso del diseño es el análisis sísmico que permite determinar qué fuerzas representan la acción sísmica sobre la nave y qué elementos mecánicos (fuerzas normales y cortantes y momentos flexionantes) producen dichas fuerzas en cada miembro estructural de la nave industrial. Zonificación. En base a los criterios de Las Normas Técnicas complementarias por Sismo, el proyecto se ubica en la zona II (Transición) de acuerdo a la zonificación del Distrito Federal que fija el artículo 170 del Reglamento de Construcciones. (Figura 2.5) Ubicación del Proyecto Fig Zonificación geotécnica de la Ciudad de México Gaceta Oficial del Distrito Federal, 2004, Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo, GDF, México, p.59 25

26 Coeficiente Sísmico. Como índice de la acción de diseño se emplea el coeficiente sísmico, c, que sirve de base para la construcción del espectro de diseño o puede usarse directamente como fracción del peso total de la construcción, W, que constituye la fuerza cortante horizontal, V, que actúa en la base de la construcción. El coeficiente sísmico varía según el peligro sísmico del sitio, según el tipo de suelo y según la importancia de la construcción. El coeficiente sísmico para las edificaciones clasificadas como el grupo B, se tomara igual a 0.32 en la zona II. Ver tabla 2.3. Tabla 2.3. Valores de los parámetros para calcular los espectros de aceleraciones. 11 Zona c a o T a 1 T b 1 r I II III a III b III c III d Factor de Comportamiento Sísmico Para el factor de comportamiento, sísmico, Q, depende del tipo de sistema estructural que suministra la resistencia de fuerzas laterales y de los detalles de dimensionamiento que se adopten, como se explica en la tabla 2.4 que refleja la sección 5 de Normas Técnicas de Diseño por Sismo. 11 Gaceta Oficial del Distrito Federal, 2004, Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo, GDF, México, p.62 26

27 Requisitos para Q= 4 Se usara Q=4 cuando se cumplan los requisitos siguientes: a) La resistencia en todos los entrepisos es suministrada exclusivamente por marcos no contraventeados de acero, concreto reforzado o compuestos de los dos materiales, o bien por marcos contraventeados o con muros de concreto reforzado o de placa de acero o entrepiso los marcos son capaces de resistir, sin contar muros ni contravientos, cuando menos 50 por ciento de la fuerza sísmica actuante. b) Si hay muros de mampostería ligados a la estructura, éstos se deben considerar en el análisis, pero su contribución a la resistencia ante fuerzas laterales sólo se tomará en cuenta si son piezas macizas, y los marcos, sean o no contraventeados, 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 c) 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. d) Los marcos y muros de concreto reforzado cumplen con los requisitos que fijan las Normas correspondientes para marcos y muros dúctiles. e) Los marcos rígidos de acero satisfacen los requisitos para marcos con ductilidad alta que fijan las Normas correspondientes, o están provistos de contraventeo excéntrico de acuerdo con las mismas Normas Requisitos para Q=3 Se usará Q=3 cuando se satisfacen las condiciones, b y d ó e de los incisos anteriores; y en cualquier entrepiso dejan de satisfacerse las condiciones a ó c, pero la resistencia en todos los entrepisos es suministrada por columnas de acero o de concreto reforzado con losas planas, por marcos rígidos de acero, por marcos de concreto reforzado, por muros de concreto o de placa de acero o compuestos de los dos materiales, por combinaciones 27

28 de los dos materiales, por combinaciones de éstos y marcos o por diafragmas de madera. Las estructuras con losas planas y las de madera deberán además satisfacer los requisitos que sobre el particular marcan las Normas correspondientes. Los marcos rígidos de acero satisfacen los requisitos para ductilidad alta o están provistos de contraventeo concéntrico dúctil. Requisitos par Q=2 Se usará Q=2 cuando la resistencia a fuerzas laterales es suministrada por losas planas con columnas de acero o de concreto reforzado, por marcos de acero con ductilidad reducida o provistos de contraventeo con ductilidad normal, o de concreto reforzado, por marcos de acero con ductilidad normal, o de concreto reforzado que no cumplan con los requisitos para ser considerados dúctiles, o muros de concreto reforzado, de placa de acero o compuestos de acero y concreto, que no cumplen en algún entrepiso los especificado por los párrafos anteriores, o por muros de mampostería de piezas,macizas confinados por castillos, dalas, columnas o trabes de concreto reforzado o de acero que satisfacen los requisitos de las Normas correspondientes. También se será Q= 2 cuando la resistencia es suministrada por elementos de concreto prefabricado o presforzado, con las excepciones que sobre el particular marcan las Normas correspondientes, o cuando se trate de estructuras de madera, o de algunas estructuras de acero que se indican en las Normas correspondientes. Requisitos para Q=1.5 Se usara Q=1.5 cuando la resistencia a fuerzas laterales suministrada en todos los entrepisos por muros de mampostería de piezas huecas, confinados o con refuerzo interior, que satisfacen los requisitos de las Normas correspondientes, o por combinaciones de dicho muros con elementos descritos en 2 y 3 o por marcos y armaduras de madera, o por algunas estructuras de acero que se indican en las Normas correspondientes. 28

29 Requisitos para Q=1 Se usará Q=1 es estructuras cuya resistencia a fuerzas laterales es suministrada al menos parcialmente por elementos o materiales diferentes de los anteriormente especificados, a menos que se haga un estudio que demuestre, a satisfacción de la Administración, que se puede emplear un valor más alto que el que aquí se especifica; también en algunas estructuras de acero que se indican en las Normas correspondientes. Atendiendo a las descripciones anteriores Sísmico Q=1 se tomara el Factor de Comportamiento Condiciones de Regularidad Para que una estructura pueda considerarse regular debe satisfacer los siguientes requisitos: 1) Su planta es sensiblemente simétrica con respecto a dos ejes ortogonales por lo que toca a masas, así como a muros y otros elementos resistentes. Estos son, además, sensiblemente paralelos a los ejes ortogonales principales del edificio. 2) La relación de su altura a la dimensión menor de base no pasa de ) La relación de largo a ancho de la base no excede de ) En la 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 del entrante o saliente. 5) En 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 abertura; la áreas huecas no ocasionan asimetrías significativas ni 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. 29

30 7) El peso de cada nivel, incluyendo la carga viva que debe considerarse para diseño sísmico, no es mayor que 110 por ciento del correspondiente al piso inmediato inferior ni, excepción hecha del último nivel de la construcción, es menor que 70 por ciento de dicho peso. 8) Ningún piso tiene un área delimitada por los paños exteriores de sus elementos resistentes verticales, mayor que 110 por cierto de la del piso inmediato inferior ni menor que 70 por ciento de ésta. Se exime de este último requisito únicamente al último piso de la construcción. Además, el área de ningún entrepiso excede en más de 50 por ciento a la menor de los pisos inferiores. 9) Todas las columnas están restringidas en todos los pisos en dos direcciones sensiblemente ortogonales por diafragmas horizontales y por trabes o losas planas. 10) Ni la rigidez ni la resistencia al corte de ningún entrepiso difieren en más de 50 por ciento de la del entrepiso inmediatamente inferior. El último entrepiso queda excluido de este requisito. 11) En ningún entrepiso la excentricidad torsional calculada estáticamente, e s, excede del diez por ciento de la dimensión en planta de ese entrepiso medida paralelamente a la excentricidad mencionada. Calculo de Fuerzas Cortantes. En el primer párrafo de la sección 8 de las NTCDS, las fuerzas cortantes sísmicas en los diferentes niveles de una estructura pueden evaluarse suponiendo un conjunto de fuerzas horizontales que obran sobre cada uno de los puntos donde se supongan concentradas las masas. La fuerza actuante donde se concentra una masa i es igual al peso de la misma, W i, por un coeficiente proporcional a la altura h i de la masa en cuestión sobre el desplante. El factor de proporcionalidades tal que la relación V o /W o, siendo V o la fuerza cortante basal y W o el peso total de la construcción, sea igual a c/q, donde c y Q se determinaron en los párrafos anteriores. 30

31 La fuerza horizontal P i aplicada en el centro de masas del nivel i está dada por la formula: Ec. 2.1 Aplicando esta fórmula a la nave industrial, considerando que la estructuración, los materiales y los detalles constructivos empleados son tales que el factor de comportamiento sísmico Q puede tomarse igual a 1 en la dirección X y Y. Considerando también, que la estructura está ubicada en la zona de terreno de transición (II) y que se trata de una construcción que por su importancia se clasifica como del grupo B. Empleando los datos anteriores y siguiendo la ecuación 2.1, en la dirección X y Y: c/q=0.30. A partir de esta información se ha elaborado la tabla 2.2 donde se presenta en forma sistematizada las operaciones para obtener en ambas direcciones, las fuerzas actuantes en cada piso P i En dirección X y Y NIVEL. h.. h. TON M TON SUMA Para obtener las fuerzas por marco lo que se hará es dividir la fuerza resultante entre el numero de marcos en la dirección donde se esté analizando, por ejemplo, en la dirección X, considerando la planta de la estructura, se tienen 10 marcos en esa dirección. Por lo que se obtiene: Sismo en X 31

32 Se considera la fuerza en Y igual al 30% de la magnitud de la fuerza en X; por lo tanto se obtiene: Sismo en Y Se considera la fuerza en X igual al 30% de la magnitud de la fuerza en Y; por lo tanto se obtiene: 2.5 ANALISIS POR VIENTO El viento es aire en movimiento. El aire posee una masa característica (densidad o peso) y se mueve en una dirección particular a una velocidad dada. Por consiguiente cuenta como energía cinética expresada como: E=1/2 mv 2 Cuando el movimiento del aire se topa con un objeto fijo, existen varios efectos que se combinan para ejercer fuerza sobre el objeto. La naturaleza de esta fuerza, las diversas variables que la afectan y la transformación de los efectos en criterios para diseño estructural. 32

33 Condiciones del viento De fundamental interés en la evaluación del viento es la velocidad máxima que éste alcanza. Velocidad máxima, por lo general, se refiere a la velocidad sostenida y n a efectos de racha. Una racha es, esencialmente, una bolsa de viento de alta velocidad dentro de la masa de aire general en movimiento. El efecto resultante de una racha es el de un breve incremento, u oleada, de la velocidad del viento, por lo general de no más de 15% de la velocidad sostenía y sólo con duración de una fracción de segundo. A causa de su más alta velocidad y su efecto de choque violento, la racha en general representa el efecto más crítico del viento en la mayoría de los casos. Los vientos se miden regularmente en muchos lugares. La medición estándar se hace a 10 metros (aproximadamente 33 pies) sobre el terreno circundante, lo cual proporciona una referencia fija con respecto a los efectos de retardo de la superficie del suelo. La gráfica de la figura expone la correlación entre velocidad del viento y varias condiciones de viento. La curva es la representación grafica de la ecuación general utilizada para relacionar la velocidad del viento con la presión estática equivalente en edificios. Aunque las condiciones del viento, por lo regular, se generalizan para una región geográfica dada, pueden variar considerablemente en sitios específicos a causa de la naturaleza del terreno circundante, del paisaje o de las estructuras cercanas. Efectos del viento. Los efectos del viento sobre objetos fijos ubicados en su trayectoria se pueden generalizar como en los estudios siguientes (figura 2.6): Presión positiva directa. La superficies ubicadas frente al viento y perpendiculares a su trayectoria reciben un efecto de impacto directo de la masa de aire en movimiento, el que, por lo general, produce la mayor parte de la fuerza sobre el objeto, a menos que tenga una forma aerodinámica. Arrastre aerodinámico. Como el viento no se detiene después de golpear el objeto sino que se mueve alrededor de él como un fluido, surge un efecto de retardo en las superficies que son paralelas a la dirección del viento. Estas superficies también pueden experimentar presiones hacia dentro o hacia afuera; sin embargo, el efecto de retardo es 33

34 que contribuye a la fuerza general sobre el objeto en la dirección de la trayectoria del viento. Presión negativa. En el lado de sotavento del objeto (opuesto a la dirección del viento), por lo regular, se presenta un efecto de succión, que consiste en una presión hacia afuera sobre la superficie del objeto. Por comparación con la dirección de la presión es el lado de barlovento, ésta se llama presión negativa. Estos tres efectos se combinan para producir una fuerza neta sobre el objeto en la dirección del viento, que tiende a moverlo junto con el viento. Además de éstos, existen otros efectos posibles sobre el objeto que pueden ocurrir a causa de la turbulencia del aire o a la naturaleza del objeto. Algunos de ellos son los siguientes: Efectos oscilantes. Durante las tormentas de viento, la velocidad del viento y su dirección casi nunca son constantes. Las rachas y los remolinos son comunes, de modo que un objeto ubicado en la trayectoria del viento tiende a ser sacudido, agitado, oscilado, etc. Los objetos con partes sueltas, con conexiones flojas, o con superficies muy flexibles (como superficies hechas con tela y que no están atirantadas) son más susceptibles a estos efectos. Efectos armónicos. Cualquiera que toque un instrumento de viento se puede dar cuenta que el viento puede producir vibración, silbido, agitación, etc. Estos efectos pueden ocurrir bajas velocidades, así como en condiciones de tormenta de viento. Esta es una cuestión de sincronización entre la velocidad del viento y el periodo natural de vibración del objeto o de sus componentes. 34

35 Efectos de desprendimiento. El efecto de reacción de la masa de aire en movimiento tiende a desprender los objetos que se encuentran en su camino. Este hecho es de particular interés en el caso de objetos que sobresalen de la masa general del edificio, como por ejemplo cobertizos, parapetos, chimeneas y anuncios. Presión directa Arrastre Succión Oscilación, sacudimiento Succión Efectos de desprendimiento Figura 2.6 Efectos generales del viento Ambrose, James, Estructuras, 1era edición, México, Editorial Limusa. p

36 La condición crítica de las partes individuales o superficies de un objeto puede ser provocada por cualquiera de los efectos anteriores o por una combinación de éstos. Los daños pueden ser locales o totales con respecto al objeto. Si el objeto descansa en el suelo, puede colapsarse, deslizarse, o ser arrollado o levantado de su posición. Los diversos aspectos del viento, del objeto sobre la trayectoria del viento, o del medio ambiente circundante determinan los efectos críticos del viento. Las siguientes son algunas consideraciones con respecto al viento mismo: La magnitud de las velocidades sostenidas. La duración de las velocidades altas. La presencia de efectos de racha, remolinos, etc. La dirección dominante del viento (si la hay). Las siguientes son algunas consideraciones con respecto a los objetos sobre la trayectoria del viento: El tamaño del objeto (tiene que ver con el efecto relativo de las rachas, con las variaciones de presión sobre el nivel del suelo, etc.) La forma aerodinámica del objeto (determina la naturaleza crítica de retardo, succión levantamiento, etc.). El periodo fundamental de vibración del objeto o de sus partes. La rigidez relativa de las superficies, la restricción de las conexiones, etc. Con respecto al medio ambiente, pueden producirse efectos potenciales a consecuencia de las situaciones de resguardo o encauzamiento provocadas por accidentes del suelo, paisaje o estructuras adyacentes. Estos efectos pueden producir un incremento o reducción de los efectos generales del viento o de turbulencia, lo que origina una condición de viento muy inestable. 36

37 El comportamiento propiamente dicho de un objeto se puede determinar sólo si se le somete a una situación real de viento. Las pruebas de laboratorio en el túnel de viento también son útiles y como las pruebas se pueden creas de manera más práctica cuando se realizan por solicitud, han producido una gran parte del banco de datos y procedimientos utilizados en el diseño. Los mayores efectos del viento sobre edificios se pueden generalizar hasta cierto punto, puesto que se conoce un número clasificado de características que abarcan las condiciones más comunes. Algunas de las suposiciones generales son las siguientes: La mayoría de los edificios son voluminosos o en forma de cajón, dando por resultado una respuesta aerodinámica común. La mayoría de los edificios presentan superficies cerradas, regularmente lisas el viento. La mayoría de los edificios cuentan con estructuras rígidas, que producen un número bastante limitado de variaciones del periodo natural de vibración de la estructura. Éstas y otras consideraciones permiten la simplificación de la investigación del viento al permitir que se eliminen varias variables o que se agrupen en unas cuantas constantes modificantes. En situaciones excepcionales, por ejemplo edificios elevados, estructuras abiertas, estructuras muy flexibles y formas aerodinámicas poco comunes, puede ser aconsejable realizar una investigación más completa, incluyendo el posible uso de las pruebas en túnel de viento. El principal efecto del viento se representa en la forma de presiones normales a las superficies exteriores del edificio. La base para esta presión se inicia con una conversión de la energía cinética de la masa de aire en movimiento en una presión estática mediante la fórmula básica P=Cv 2 En la que C es una constante que representa la masa de aire. Con el viento en millas por hora (mph) y la presión en libras por pie cuadrado (lb/pie 2 ), el valor de C para el efecto total del viento en un edificio simple en forma de cajón es aproximadamente

38 Presión hacia el interior sobre muros exteriores. En las superficies que se presentan directamente frente al viento, se requiere que se diseñen para toda la presión en la base, aun cuando esto es un poco conservador, debido a que la fuerza de barlovento, es aproximadamente de sólo un 60% de la fuerza total del edificio. El diseño para sólo una parte de la fuerza total se compensa parcialmente por el hecho de que las presiones en la base, no se relacionan con efectos de racha, los cuales tienden a tener menos efecto en el edificio en conjunto y más efecto en partes del mismo. Succión en muros exteriores. La mayoría de los reglamentos también requieren que la succión en los muros exteriores sea considerada como la presión total en la base, aunque los comentarios precedentes acerca de la presión hacia el interior también son validos en este caso. Presión en superficies de techo. Según su forma real, así como la del edificio en conjunto, las superficies no verticales pueden verse sometidas a presiones de succión o hacia el interior a causa del viento. Dichas superficies pueden experimentar ambos tipos de presión a medida que el viento cambia de dirección. La mayoría de los reglamentos establecen una presión (succión) de levantamiento igual a la presión total de diseño a la altura del nivel del techo. La presión hacia el interior, está relacionada con el ángulo de la superficie como una inclinación con respecto a la horizontal. Fuerza horizontal total sobre el edificio. La fuerza horizontal total se calcula como una presión horizontal sobre la silueta del edificio, como previamente se describió, con ajustes hechos de acuerdo con la altura sobre el nivel del suelo. El sistema estructural resistencia lateral del edificio se diseña para soportar esta fuerza. Deslizamiento horizontal del edificio. Además del posible colapso del sistema resistente lateral, la posibilidad de que la fuerza horizontal total pueda desprender el edificio de su cimentación. Para un edificio alto con cimentación poco profunda (superficial), esto también puede construir un problema para la 38

39 transmisión de fuerza entre la cimentación y el suelo. En ambos casos, el peso muerto del edificio genera una fricción que ayuda a resistir esta fuerza. Efectos de volteo. Al igual que el caso de deslizamiento horizontal, el peso muerto tiende a resistir el efecto de volteo o derribo. El efecto de volteo casi siempre se analiza en función del volteo de los elementos verticales individuales del sistema resistente lateral en lugar del edificio completo. Viento sobre partes del edifico El efecto de desprendimiento previamente analizado es crítico en el caso de elementos que sobresalen de la masa general del edificio. Los reglamentos exigen para dichos elementos una presión de diseño mayor que la presión de referencia, de modo que se consideren los efectos de racha así como el problema de desprendimiento. Efectos armónicos. El diseño por vibración, agitación, abatimiento, oscilación multimodal, etc., requiere un análisis dinámico y no se puede considerar cuando se utiliza el método de casta estática equivalente. El atiesamiento, arriostramiento o contraventeo y atirantamiento de los elementos en general pueden reducir las posibilidades de dichos efectos, no obstante sólo un análisis verdadero o una prueba de túnel de viento puede asegurar la capacidad de la estructura para resistir estos efectos armónicos. Efectos de las aberturas. Si la superficie de un edificio es cerrada suficientemente lisa, el viento se deslizará alrededor de ella en un flujo continuo. Las aberturas o formas del edificio que tienen a captar el viento pueden afectar, en gran parte, la fuerza total del viento sobre el edificio. Es difícil considerar estos efectos en un análisis matemático, excepto de manera muy empírica. La captación del viento puede ser un efecto importante cuando todo el costado de un edificio está abierto. Las cocheras, hangares, cascarones y otros edificios de forma similar deben diseñarse para resistir una fuerza incrementada que sólo se puede calcular efectuando una prueba de túnel del viento. 39

40 Efecto torsional Si un edificio no es numérico en función de la silueta que presenta al viento, o si el sistema resisten te lateral no es simétrico dentro del edificio, la fuerza del viento puede producir un efecto de torsión. Este efecto es el resultado de una desalineación del centroide (llamado centro de rigidez) del sistema resistente lateral y producirá una fuerza adicional en algunos de los elementos de la estructura. Aunque en una región pueden existir direcciones de viento dominantes comunes, se debe considerar que el viento capaz de soplar en cualquier dirección. Según la forma del edifico y el arreglo de su estructura, puede requerirse un análisis para resistir el viento de diversas direcciones potenciales. Influencia de la carga muerta La carga muerta del edificio, es una ventaja en el diseño por viento, debido a que es un factor estabilizante al resistir el levantamiento, volteo y deslizamiento y tiende a reducir la incidencia de vibración y oscilación. Sin embargo, los esfuerzos que resultan las diversas combinaciones de carga, las cuales incluyen carga muerta es excesiva. Anclaje para fuerza de levantamiento, deslizamiento y volteo. Las conexiones comunes entre las partes del edificio pueden encargarse adecuadamente de las diversas transmisiones de fuerza de viento. En algunos casos, como cuando se trata de elementos ligeros, el anclaje contra viento puede ser una consideración importante. En la mayoría de los casos de diseño, la idoneidad de los detalles comunes de la construcción se considera en primer lugar y se utilizan medidas extraordinarias únicamente cuando se requieren. Consideraciones de forma críticas Varios aspectos de la forma del edificio pueden provocar incremento o reducción de los efectos del viento. Aunque no tan crítica en el diseño de un edificio como lo es en el caso de un auto de carreras o avión, la aerodinámica puede mejorar la eficacia de la resistencia al viento del edifico. 40