Estructuras metálicas, Resúmenes de Estructuras metálicas

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ciudad de Juliaca

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RESUMEN

El presente informe desarrolla el análisis y diseño estructural de una nave industrial de acero

ubicada en la ciudad de Juliaca, la cual está expuesta a diferentes tipos de cargas características de la

zona.

El proceso de diseño estructural inicia con la recopilación y organización de la información

necesaria, la cual se aborda en el marco teórico. En esta sección se describen las cargas actuantes, las

combinaciones de carga establecidas según los lineamientos del AISC, así como las ecuaciones

fundamentales empleadas en el diseño de los distintos componentes estructurales.

Posteriormente, se lleva a cabo el predimensionamiento de los elementos que conforman la

estructura. A continuación, se definen las combinaciones de carga y se implementan en el software

ETABS, lo que permite obtener la envolvente de cargas y los desplazamientos en los nudos de la

estructura.

Finalmente, con el modelo estructural completado, se procede al diseño detallado de cada uno

de los elementos conforme a las ecuaciones previamente establecidas. De este modo, se logra

especificar y elaborar los planos de diseño correspondientes a la nave industrial.

• RESUMEN CONTENIDO
• CONTENIDO
• INTRODUCCIÓN
• OBJETIVOS
  • 1. Objetivo general:......................................................................................................................
  • 2. Objetivos específicos:
• CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO - 1. Generalidades del acero: - 2. Especificaciones de diseño
  • 2.1.2 Combinaciones de carga según el método LRFD
    • Combinaciones de carga LRFD (AISC)
    • Significado de las variables
    • Factores de reducción de resistencia (φ)
  • 2.2 Cargas de diseño
    • 2.2.1 Cargas de gravedad
  • 3. Diseño de miembros estructurales
    • 3.1 Elementos a tensión
    • 3.2 Elementos a compresión
    • 3.3 Elementos a flexión
    • 3.4 Diseño por esfuerzo cortante
    • 3.5 Deflexiones
    • 3.6 Flexión asimétrica
    • 3.7 Diseño de conexiones............................................................................................................
• CAPÍTULO II. MEMORIA DESCRIPTIVA
  • 1. Generalidades:
  • 2. Condiciones generales del entorno:
  • 3. Normativa de diseño:
  • 4. Descripción del proyecto estructural:
  • 5. Acciones de diseño:
  • 6. Materiales:
• CAPÍTULO III. ELEMENTOS ARQUITECTÓNICOS Y ESTRUCTURALES
  • 1. Fachada con cubierta:
  • 2. Fachada sin cubierta:
  • 3. Pórtico lateral con cubierta:
  • 4. Pórtico sin cubierta:
  • 5. Vista en planta de las planchas metálicas: ciudad de Juliaca
  • 6. Vista planta de techo con cubierta:
  • 7. Vista de planta de techo sin cubierta:
  • 8. Placa base de columna:
  • 9. Placa superior e inferior isométrico:
  • 10. Tijeral:
  • 11. Arriostre:
  • 12. Columna:
• CAPÍTULO IV. METRADO DE CARGAS
  • 1. Cargas Muertas:
  • 2. Cargas Vivas:
  • 3. Cargas de Viento:
• CAPÍTULO IV. MODELAMIENTO ESTRUCTURAL
• CAPÍTULO V. ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL
  • 1. Diseño de Vigas:
  • 2. Diseño de Columnas:
• CONCLUSIONES
• REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• ANEXOS

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INTRODUCCIÓN

En el presente informe se desarrolla la modelación, el diseño y el cálculo estructural de una

nave industrial ubicada en la provincia de Juliaca. La edificación presenta las siguientes dimensiones:

42,00 metros de longitud, 20,00 metros de ancho, una altura máxima de 8,70 metros (medida desde el

nivel del suelo hasta la cumbrera) y una altura de columna. La estructura está compuesta por acero

A36, adoptándose una tipología de pórticos con vigas tipo cercha, mientras que la cubierta presenta

una configuración a dos aguas.

El contenido del informe se organiza en seis partes. En la primera parte, se expone la

justificación y los motivos que sustentan la realización del estudio. La segunda parte aborda las

propiedades del acero estructural, junto con las consideraciones necesarias para el diseño de los

elementos que integran la estructura. La tercera parte detalla las cargas que actúan sobre la nave, el

proceso de modelación realizado mediante el software ETABS, y los procedimientos de

predimensionamiento y diseño de los componentes estructurales. En la cuarta parte, se presentan las

conclusiones derivadas del análisis y diseño efectuado. La quinta parte incluye recomendaciones

orientadas a optimizar el proceso de diseño estructural de la nave. Finalmente, la sexta parte recopila

la bibliografía empleada como sustento teórico y técnico para la correcta elaboración del diseño

estructural.

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CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO

1. Generalidades del acero:

1.1 Ventajas del acero como material estructural

El acero estructural destaca por su alta resistencia, durabilidad y ductilidad, lo que le permite

soportar grandes deformaciones sin fallar. Es fácil y rápido de construir gracias a que sus elementos

son prefabricados y estandarizados, garantizando calidad uniforme. Se ofrece en una amplia gama de

secciones y grados, lo que permite optimizar el diseño. Las conexiones pueden realizarse mediante

pernos o soldaduras. Permite cubrir grandes luces, lo que reduce materiales y facilita su modificación

en obra sin afectar el trabajo. Además, el acero es reciclable, pudiendo revenderse como chatarra.

1.2 Desventajas del acero como material estructural

El acero es vulnerable al fuego, ya que pierde resistencia con el calor; por ello requiere

recubrimientos aislantes y sistemas contra incendios. También es susceptible a la corrosión, por lo que

debe pintarse periódicamente o utilizarse acero intemperizado. Los elementos largos y esbeltos

pueden pandearse, y bajo esfuerzos cíclicos puede presentarse fatiga estructural, por lo que se deben

controlar las cargas y esfuerzos variables.

.1.3 Clasificación general del acero

El acero se clasifica en cuatro grupos principales:

1. Acero al carbono: contiene principalmente carbono y pequeñas proporciones de manganeso,

silicio y cobre. Usado en maquinaria, autos, construcción, y buques.

2. Aceros aleados: con más manganeso, silicio y cobre. Se usan en piezas especiales como

engranajes y ejes.

3. Aceros de baja aleación ultra resistentes: poseen poca aleación pero alta resistencia, ideales

para vigas delgadas en grandes tramos.

4. Aceros inoxidables: con cromo y níquel, ofrecen alta resistencia a la corrosión y oxidación.

1.4 Propiedades del acero

Propiedad Símbolo Valor aproximado

Peso específico δ 7.85 kg/m³

Módulo de elasticidad E 2.10 × 10⁶ kg/cm²

Esfuerzo de fluencia Fy 2.53 ton/cm²

Esfuerzo de fractura Fu 4.08 ton/cm²

Coeficiente de Poisson ν 0.

Coeficiente de dilatación térmica α 1.2 × 10⁻⁵ (°C)⁻¹

Normas aplicables:

• ASTM A361: para perfiles laminados.
• ASTM A325: para pernos (resistencia mínima de 830 MPa).

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• AWS A5.13 (E70XX): para electrodos de soldadura de acero al carbono.

1.5 Perfiles laminados en acero

Principales tipos:

• W: patín ancho (ej. W27×114).
• S: patines angostos, alma más gruesa (ej. S12×35).
• L: perfiles en ángulo, lados iguales o desiguales (ej. L6×6×½).
• C: tipo canal, útiles en espacios reducidos (ej. C10×30).
• WT o T: mitad de un perfil W (ej. WT18×151).

2. Especificaciones de diseño

2.1 Métodos de diseño según el AISC

Se emplean dos métodos principales:

1. ASD (Allowable Strength Design): diseño por esfuerzos permisibles.
2. LRFD (Load and Resistance Factor Design): diseño por factores de carga y resistencia.

El estado límite indica cuándo un elemento no cumple su función:

• De resistencia: falla por fluencia, fractura, pandeo o fatiga.
• De servicio: problemas de deflexión, agrietamiento o deterioro.

El LRFD ajusta las cargas y resistencias mediante factores para reducir la probabilidad de falla.

2.1.1 Combinaciones de carga según el método ASD

Las cargas no se multiplican por factores, solo se combinan.

La resistencia nominal dividida entre el factor de seguridad (Ω) debe ser mayor que la fuerza

calculada:

𝑛

𝑎

Principales combinaciones de carga (AISC):

1. D

2. D + L

3. D + (Lr o S o R)
4. D + 0.75L + 0.75(Lr o S o R)
5. D + (0.6W o 0.7E)
6. D + 0.75L + 0.75(0.6W) + 0.75(Lr o S o R)

7. D + 0.75L + 0.75(0.7E) + 0.75S

8. 0.6D + 0.6W

9. 0.6D + 0.7E

Pueden ajustarse según las condiciones del proyecto (por ejemplo, viento o lluvia intensa).

Deflexiones máximas permitidas:

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Elemento o conexión φ

Pernos a tracción 0.

2.2 Cargas de diseño

Las cargas de diseño se dividen en dos tipos :

1. Cargas de gravedad (internas)
2. Cargas ambientales (externas)

2.2.1 Cargas de gravedad

A. Cargas muertas (D)

Son cargas constantes y permanentes , como el peso propio de la estructura y elementos fijos.

Se estiman mediante un predimensionamiento y valores de peso del Manual del Acero o las tablas

ASCE 7-10 (C3-1 y C3-2).

B. Cargas vivas (L)

Son cargas móviles o temporales que dependen del uso de la estructura.

• Para naves industriales con cubierta metálica , se toma 100 kg/m².
• En otros casos, se usa un valor proporcional a la carga muerta en un área de 15 m² con luces >

2.5 m.

C. Cargas de viento (W)

Varían según la zona geográfica (más fuertes en la sierra).

En estructuras metálicas, son críticas por su ligereza.

El viento de diseño debe basarse en registros de al menos 33 años , con periodo de retorno de 50

años.

Para Juliaca , la velocidad del viento ≈ 70 km/h (19 m/s).

𝑝

× 𝐶

𝑟

× 𝑞

donde:

• 𝑃: presión estática equivalente (kg/m²)

𝑝

: depende de la forma

𝑟

: depende de ráfagas y flexibilidad

2

(≈ 0.005v² , con v en km/h, mínimo 15 kg/m²)

Coeficiente de presión interna (Cpi):

• Si abertura ≥ 30%:

o Barlovento: +0.

o Sotavento: −0.

• Si abertura < 30%: se ajusta proporcionalmente.

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• Sin aberturas: ±0.

Coeficiente de ráfaga (Cr):

• Si T > 2 s o relación de altura > 5:1 → Cr = 1. 7

3. Diseño de miembros estructurales

El diseño en acero estructural busca evitar fallas o colapsos mediante el control de los esfuerzos

(tensión, compresión, flexión, corte, etc.) que actúan en los miembros. Se utiliza el método LRFD

(Load and Resistance Factor Design) para verificar la seguridad y desempeño de los elementos

3.1 Elementos a tensión

a) Diseño por tensión:

• Se controla la fluencia en la sección bruta y la fractura en la sección neta (con agujeros o

soldaduras).

• Fórmulas:

o Fluencia: 𝜙

𝑡

𝑛

𝑦

𝑔

o Fractura: 𝜙

𝑡

𝑛

𝑢

𝑒

, donde 𝐴

𝑒

𝑛

• El factor U depende de la geometría y conexión del elemento.

b) Diseño por corte (bloque de cortante):

• Se verifica el posible desgarramiento o rotura de la sección.

𝑛

= 0. 75 [ 0. 6 𝐹

𝑢

𝑛𝑣

𝑏𝑠

𝑢

𝑛𝑡

] ≤ 0. 75 [ 0. 6 𝐹

𝑦

𝑔𝑣

𝑏𝑠

𝑢

𝑛𝑡

]

• También se comprueba la esbeltez :

𝐿

𝑟

3.2 Elementos a compresión

Los elementos comprimidos pueden fallar por:

• Pandeo flexional (Euler)
• Pandeo local (partes delgadas)
• Pandeo flexo–torsional

Se determina el esfuerzo crítico de pandeo (Fe) y la resistencia nominal :

𝑐

𝑛

𝑐𝑟

𝑔

𝑐𝑟

(𝐹

𝑦

/𝐹

𝑒

)

𝑦

, si 𝐾𝐿/𝑟 ≤ 4. 71 √

𝑦

𝑒

, si 𝐾𝐿/𝑟 > 4. 71 √

𝑦

También se controlan las relaciones ancho/espesor para evitar pandeo local, y se usan factores de

reducción 𝑄

𝑠

cuando los elementos son esbeltos.

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• Piso: 𝐿/ 360
• Techo con plafón: 𝐿/ 360
• Techo sin plafón: 𝐿/ 180

3.6 Flexión asimétrica

Cuando la flexión no ocurre sobre los ejes principales:

𝑟

𝑐

2

𝑟𝑥

𝑐𝑥

𝑟𝑦

𝑐𝑦

donde 𝑀 𝑐𝑥

𝑐𝑦

𝑏

𝑦

3.7 Diseño de conexiones

a) Placa base

Distribuye la carga de la columna hacia la zapata.

𝑝

𝑐

′

1

2

1

𝑐

′

1

y el espesor requerido:

𝑟𝑒𝑞

𝑢

𝑦

Si hay momento:

𝑢

𝑦

b) Pernos de anclaje

Se diseñan para tensión y corte según ACI-318:

• Tensión:

o Acero: 𝑁

𝑠𝑎

𝑠𝑒

𝑢

o Arrancamiento del concreto: depende de ℎ

𝑒𝑓

𝑎 1

1

• Corte:

o Acero: 𝑉

𝑠𝑎

𝑠𝑒

𝑢

o Arrancamiento o desprendimiento del concreto: ecuaciones según geometría y

espaciamiento.

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CAPÍTULO II. MEMORIA DESCRIPTIVA

1. Generalidades:

La presente memoria descriptiva corresponde al análisis y diseño estructural de una nave

industrial metálica a dos aguas, ubicada en la provincia de Juliaca, Región Puno, Perú. El proyecto

consiste en la ejecución de una estructura ligera de acero conformada por armaduras metálicas tipo

cercha, columnas y correas, destinada al uso industrial o de almacenamiento.

2. Condiciones generales del entorno:

El proyecto se localiza en Juliaca, una ciudad ubicada a una altitud aproximada de 3,825 m

s.n.m., caracterizada por un clima frío y seco, con marcadas variaciones térmicas diarias.

Estas condiciones implican considerar:

• Altas presiones de viento debido a la exposición en zonas abiertas y planas.
• Bajas temperaturas ambientales, que pueden afectar la contracción térmica de los

elementos metálicos.

• Carga de nieve despreciable, pero carga de viento significativa, especialmente en

cubiertas ligeras.

3. Normativa de diseño:

El diseño estructural se realiza conforme al Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE),

aplicando las siguientes normas:

• E.020 – Cargas
• E.030 – Diseño Sismorresistente
• E.050 – Suelos y Cimentaciones
• E.060 – Concreto Armado (para elementos de fundación)
• E.090 – Estructuras Metálicas 4. Descripción del proyecto estructural:

La estructura principal está compuesta por tres armaduras metálicas, logrando un adecuado

comportamiento frente a cargas verticales y horizontales, siendo los elementos estructurales

principales los siguientes:

• Armaduras principales (tijerales): Conformadas por perfiles angulares de acero ASTM

A36, ensamblados mediante soldadura o pernos.

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CAPÍTULO III. ELEMENTOS ARQUITECTÓNICOS Y ESTRUCTURALES

**1. Fachada con cubierta:

2. Fachada sin cubierta:**

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**3. Pórtico lateral con cubierta:

4. Pórtico sin cubierta:**

ciudad de Juliaca

**7. Vista de planta de techo sin cubierta:

8. Placa base de columna:**

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9. Placa superior e inferior isométrico: