Análisis Estructural 1. Práctica 1 Estructura para nave industrial 1 Objetivo Esta práctica tiene por objeto el diseñar y estudiar el comportamiento de la estructura principal de un edificio industrial formado por una nave simple. El cálculo se efectuará empleando el programa cespla. 2 Descripción de la estructura La estructura está compuesta por una nave de 26 m de luz, con voladizos de 2 m y 4 m a ambos lados. Las dimensiones se indican en la figura 1. La altura útil interior no debe ser inferior a 8 m. La cubierta debe tener una pendiente superior a 5º. Los paramentos extremos de los voladizos pueden hacerse inclinados respecto de la vertical. La estructura está organizada como una celosía simple para la cubierta, apoyada en dos pilares. La disposición de esta celosía debe determinarse. El apoyo de la celosía en el pilar izquierdo es del tipo totalmente fijo, mientras que el apoyo de la celosía en el pilar derecho es deslizante. Las estructuras principales están dispuestas en la nave separadas cada 6 m, por lo tanto cada estructura debe soportar las fuerzas correspondientes a dichos 6 metros. El material de toda la estructura es acero estructural. 3 Casos de carga Sobre la estructura actúan una serie de cargas, agrupadas en los siguientes casos de carga: Cargas permanentes actuantes sobre la estructura (CP), que corresponden al peso propio del panel de chapa de cubrición, aislante, correas, etc., y que suman en total 45 kg/m 2. Esta carga se considera aplicada sobre los nudos del cordón superior. Se puede considerar que el peso propio de la celosía ya está incluido en dicha carga. Sobrecarga debida a la nieve (NI). El valor de las cargas a aplicar se determinará de acuerdo con la norma NBE AE-88 Acciones en la Edificación, capítulo IV, considerando que la nave está situada a 300 m de altitud. Las cargas debidas a la nieve se considerarán aplicadas sobre los nudos del cordón superior. Viento soplando desde la izquierda (VI). El valor de las cargas a aplicar se determinará de acuerdo con la norma NBE AE-88 Acciones en la Edificación, capítulo V, considerando una velocidad de viento de 125 km/h y situación en corriente en una construcción cerrada. Las fuerzas del viento actuantes sobre los pilares se considerarán uniformemente repartidas en su altura. La parte actuante sobre la celosía se considerará aplicada sobre los nudos. Viento soplando desde la derecha (VD). Se aplicarán fuerzas simétricas de las de la hipótesis VI. Curso 2007-2008 1
4 Hipótesis de diseño Para el diseño de las estructuras se emplean en la realidad una serie de hipótesis de diseño, que tienen en cuenta que no todas las acciones se producen simultáneamente. Las hipótesis de diseño son una combinación lineal de los casos de carga básicos anteriores, afectados de unos coeficientes de mayoración γ que juegan el papel de coeficientes de seguridad. En esta práctica se empleará una única hipótesis de diseño, denominada Ic en la norma EA95 Estructuras de Acero en Edificación y definida de la forma siguiente: Hipótesis de diseño Clase de acción Coeficiente de mayoración γ, si el efecto de la acción es: Desfavorable Favorable Ic Peso propio 1.33 1.00 Viento 1.50 0.00 Nieve 1.50 0.00 Por lo tanto los esfuerzos de diseño mayorados N se calcularán por combinación mayorada de los esfuerzos en cada caso de carga: N = γ N + γ N + γ N peso nieve viento peso nieve viento En esta combinación debe tenerse en cuenta que los coeficientes de mayoración son distintos según que el efecto sea desfavorable (los esfuerzos son del mismo signo y se suman) o favorable (los esfuerzos son de distinto signo). 5 Trabajos a realizar En base a la información disponible, se creará un modelo de la estructura empleando el programa cespla, y con él se efectuará lo siguiente: 5.1 Dimensionamiento de la estructura. En primer lugar se elegirá una disposición adecuada de los montantes y diagonales de la celosía y se fijarán las longitudes definitivas de las distintas barras. A continuación se elegirán los perfiles más adecuados para cada una de las barras. Se emplearán tubos de sección rectangular para los cordones superior e inferior y tubos cuadrados para los montantes y diagonales. Para los pilares se utilizarán perfiles HEB. Para simplificar el diseño y la fabricación, se podrá emplear si se desea un mismo tamaño de perfil para todas las barras situadas en el cordón superior; un mismo tamaño de perfil para todas las barras del cordón inferior, otro para todos los montantes y otro para las diagonales. Opcionalmente pueden emplearse perfiles distintos, pero nunca más de 6 tamaños diferentes. Curso 2007-2008 2
Los criterios a emplear en el dimensionamiento son los siguientes: Tensión máxima Será inferior al límite elástico del material. El programa suministra los valores de la tensión máxima en cada barra. N σ = < σ E A Siendo: N: Esfuerzo axial de compresión mayorado, obtenido en la hipótesis de diseño. A: área del perfil. σ E : límite elástico del material. Pandeo En las barras a compresión se comprobará que no se produce pandeo, empleando para ello el método del coeficiente ω. Según este método la comprobación de tensión en una barra a compresión pura debe efectuarse mediante la fórmula: σ comp ωn = < σ E A Siendo ω el coeficiente de pandeo, que depende de la esbeltez λ del perfil, la cual es igual a la relación entre la longitud de pandeo y el radio de giro El programa cespla tiene implementado este método del coeficiente ω para comprobar la tensión de pandeo: el valor de la tensión máxima que se calcula para las barras a compresión lleva ya incluido el coeficiente ω. Como dato de partida es necesario únicamente definir el valor de la longitud de pandeo de las barras, lo cual puede hacerse en las opciones de cálculo del programa. Flecha máxima Se cumplirá que la máxima flecha vertical en el centro de la celosía sea inferior a 1/250 de la luz total. 5.2 Efecto de la temperatura Se aplicará un incremento de temperatura de valor +30 ºC al cordón superior de la celosía y se analizará su influencia sobre la respuesta (tensiones y deformaciones) de la estructura. 5.3 Efecto del descenso de un apoyo Se impondrá un descenso del apoyo izquierdo de valor 4 cm, y se analizará su influencia sobre la respuesta (tensiones y deformaciones) de la estructura. 5.4 Tensiones secundarias El objetivo es analizar la influencia que tiene la suposición de nudos totalmente articulados. Para ello se modificará el modelo de barras articuladas ya creado y se considerarán todas las barras empotradas entre si. Se emplearán los perfiles determinados en el apartado 5.1. Curso 2007-2008 3
En esta situación se calculará la estructura bajo la acción del peso propio y de la nieve. Se obtendrán las nuevas deformaciones, los nuevos esfuerzos internos y las nuevas tensiones que se producen en las distintas barras. Se estudiará la magnitud de estas nuevas tensiones y deformaciones y se comprobará si son admisibles o no. 5.5 Modificación en el apoyo Se sustituirá el apoyo deslizante de la celosía en el pilar derecho por un apoyo totalmente fijo. Se emplearán los perfiles determinados en el apartado 5.1 y se volverá a calcular la estructura bajo la acción de las cargas exteriores, el aumento de temperatura y el descenso del apoyo. Se compararán los resultados obtenidos con los hallados anteriormente en la situación de apoyo deslizante. 6 Resultados Se presentará como resultado de la práctica un documento conteniendo la siguiente información: Una descripción del diseño adoptado para la estructura, indicando la disposición de las barras de la celosía, las dimensiones de la estructura, las simplificaciones efectuadas, cargas actuantes, perfiles iniciales supuestos, etc. El resultado del dimensionamiento: tipo de perfil finalmente adoptado para cada barra. Se indicará el peso de la estructura. Los valores máximos de las tensiones que aparecen en todos los elementos de la estructura, para las diferentes situaciones de carga y para la hipótesis de diseño. Los valores de las máximas deformaciones que se producen en el centro de la celosía. Los resultados del efecto de la temperatura y un análisis razonado de su influencia. Los resultados del efecto del descenso del apoyo y un análisis razonado de su influencia. Los resultados obtenidos del estudio de las tensiones secundarias y un análisis de su importancia. Los resultados obtenidos para el caso de sustituir el apoyo deslizante de la derecha por un apoyo fijo y una explicación de los mismos. Curso 2007-2008 4
Figura 1. Disposición general Curso 2007-2008 5