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- Pages: 25
Diseño y simulación de una estructura cubierta media
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA
DOCENTE: Ing. Morato Gamboa Oscar MATERIA: Estructuras de acero ESTUDIANTES: Alvarez Astroña Víctor Hugo Castedo Ugarte Alberth Rene Guachalla Quispe Jose Luis CARRERA: Ing. Mecánica FECHA: 07-Diciembre-2017
Cochabamba- Bolivia GRUPO: ROOOOOOOCK
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
Contenido Cubierta caída ..................................................................................................................................... 3 Introducción .................................................................................................................................... 3 Objetivos ......................................................................................................................................... 3 Marco Teórico ................................................................................................................................. 3 Materiales ....................................................................................................................................... 6 Acero ASTM A36.......................................................................................................................... 6 Propiedades................................................................................................................................. 6 Propiedades Mecánicas............................................................................................................... 6 Formas ......................................................................................................................................... 7 Métodos de unión ....................................................................................................................... 7 INFORMACION DE LOS PERFILES ..................................................................................................... 8 CARGAS QUE ACTUAN SOBRE LA ESTRUCTURA ............................................................................ 12 CARGAS MUERTAS .................................................................................................................... 12 CARGAS POR SOBRE USO .......................................................................................................... 14 CARGAS DE VIENTO ................................................................................................................... 15 CARGAS DE LUMINARIAS .......................................................................................................... 17 ANÁLISIS DE ESFUERZOS ............................................................................................................... 18 ANÁLISIS DE DEFORMACIONES ..................................................................................................... 18 DISEÑO .......................................................................................................................................... 19 ESTUDIO DE COSTOS Y PRESUPUESTO: ......................................................................................... 21 CONCLUSIONES: ............................................................................................................................ 23 ANEXOS DE SIMULACION………………………………………………………………………………………………………….25
GRUPO: ROOOOOOOCK
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
Cubierta caída Introducción.La utilización de cubiertas ligeras para la cobertura de distintos tipos de estructuras tiene un uso generalizado debido al poco peso, su fácil transporte y montaje, unido a un costo bastante reducido respecto a otros sistemas de cobertura. En la ejecución de los distintos trabajos, de desmontaje o montaje, de mantenimiento
o
de
limpieza
principalmente, sobre cubiertas ligeras ya sean planas o inclinadas se dan una serie de
Figura 1: Montaje estructura cubierta caída.
circunstancias, como pueden ser la altura a la que se efectúan los mismos, la baja resistencia y fragilidad de los materiales, las inclemencias atmosféricas, la pendiente mas o menos acentuada, etc. que hacen que el número de accidentes que se producen mientras se efectúan dichos trabajos tengan consecuencias casi siempre mortales o con incapacidades permanentes. El objetivo de la presente proyecto es dar a conocer los distintos tipos de factores de riesgo a los que se ven sometidos los operarios que realizan trabajos diversos sobre cubiertas ligeras como placas, claraboyas, lucernarios, etc. y las medidas de prevención y protección asociadas frente a los mismos.
Objetivos .
Analizar las posibles fallas en la estructura.
Solución de las posibles fallas en la estructura.
Obtener costos de la construcción de la estructura.
Recomendar el mejor material, y secciones que se disponen.
Marco Teórico.En la estructura a analizar no solo debe soportar con seguridad las cargas impuestas si no soportarlas en forma tal que las deflexiones y vibraciones resultantes no sean excesivas y alarmen a los ocupantes y causen grietas en ellas, también poder obtener o tener una idea GRUPO: ROOOOOOOCK
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media de los costos de la construcción tales como; uso de los elementos y materiales que no requieran un mantenimiento excesivo a través de los años y el de fabricarse y montarse sin mayor problemas con la seguridad que se requiere.
Se puede evidenciar que las estructuras fallan por diferentes factores de naturaleza ambiental, mal diseño de la estructura, mala elección de los perfiles ocasionando daños personales y materiales. Una falla frecuente se debe a que después de diseñar cuidadosamente los de una estructura, se seleccionan de forma arbitraria conexiones que pueden no ser de diferente tamaño, 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 torsores. En una armadura para la que se han diseñado los Figura 2: Estructura cubierta caída.
solo por 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. Algunas fallas estructurales ocurren porque no se da una atención adecuada a las deflexiones, fatiga de , arriostramiento contra ladeos, vibraciones y la posibilidad de pandeo de en compresión o de los patines de compresión. La estructura usual cuando está terminada esta suficientemente arriostrada con los pisos, muros, conexiones y arriostramiento especial, pero hay ocasiones durante la construcción en que muchos de esos elementos no están presentes. Con respecto a los métodos de análisis se basan en suposiciones parcialmente ciertas, a que las resistencias de los materiales varían apreciablemente ya que las cargas máximas solo pueden determinarse en forma aproximada, y también recomendar el mejor material que se dispone.
El diseño de la mayoría de las estructuras está regido por especificaciones o normas. La disponibilidad de las computadoras cambio drásticamente la manera en que se analiza y diseña una estructura de acero, muchos cálculos están implicados en el diseño del acero GRUPO: ROOOOOOOCK
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media estructural y muchos de esos cálculos consumen mucho tiempo, y con esta disponibilidad se puede reducir considerablemente el tiempo para esos cálculos, o incrementar la productividad en el diseño. Por esos motivos se realiza distintos tipos de simulaciones que se los puede hacer con diferentes programas no con la exactitud deseada pero si con una aproximación que nos da una referencia antes de realizar la construcción, también nos ayuda a estimar el costo total y tipos de perfiles utilizados.
Figura 3: Diseño de la estructura metálica
Figura 4: Introducción de la estructura metálica enGRUPO: RAM Elements. ROOOOOOOCK
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
Materiales Acero ASTM A36. Es un acero estructural al carbono, utilizado en construcción de estructuras metálicas, puentes, torres de energía, torres para comunicación y edificaciones remachadas, atornilladas o soldadas, herrajes eléctricos y señalización. Composición química de la colada. Figura 5: Perfiles estructurales de acero Carbono (C)
0,26% máx
Manganeso (Mn)
No hay requisito
Fósforo (P)
0,04% máx
Azufre (S)
0,05% máx
Silicio (Si)
0,40% máx
* Cobre (Cu)
0,20% mínimo
*Cuando se especifique
Propiedades Como la mayoría de los aceros, el A36, tiene una densidad de 7850 kg/m³ (0.28 lb/in³). El acero A36 en barras, planchas y perfiles estructurales con espesores menores de 8 pulg (203,2 mm) tiene un límite de fluencia mínimo de 250 MPA (36 ksi), y un límite de rotura mínimo de 410 MPa (58 ksi). Las planchas con espesores mayores de 8 plg (203,2 mm) tienen un límite de fluencia mínimo de 220 MPA (32 ksi), y el mismo límite de rotura.
Propiedades Mecánicas Límite de fluencia mínimo Mpa
250
Psi
36000
Resistencia a la Tracción Psi
Mpa
Min
Máx
Min
Máx
58000
80000
400
550
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
Formas El acero A36 se produce en una amplia variedad de formas, que incluyen: Planchas, Perfiles estructurales, Tubos, Láminas.
Métodos de unión Las piezas hechas a partir de acero A36 son fácilmente unidas mediante casi todos los procesos
de
soldadura.
Los
más
comúnmente usados para el A36 son los menos
costosos
y
rápidos
como
la
Soldadura por arco metálico protegido (SMAW,
Shielded
metal
arc
welding),
Soldadura con arco metálico y gas (GMAW, Gas metal
arc
welding),
y soldadura
oxiacetilénica. El acero A36 es también comúnmente atornillado y remachado en las aplicaciones estructurales: edificios, puentes, torres, etc. Figura 6: Método de unión por soldadura.
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
INFORMACION DE LOS PERFILES
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
CARGAS QUE ACTUAN SOBRE LA ESTRUCTURA
Tabla 1: Datos de cargas sobre estructura. CARGAS.Una de las tareas más importantes y difíciles que se debe enfrentar en el diseño de una estructura es la estimación precisa de las cargas que recibirá una estructura durante su vida útil, no debe omitirse la consideración de cualquier carga que pueda llegar a presentarse. Después de que se han estimado las cargas es necesario investigar las combinaciones más desfavorables que pueden ocurrir en un momento dado. Por ejemplo; ¿Qué situación es la más desfavorable en el diseño de un puente, que se encuentra cubierto totalmente de hielo y nieve y sujeto a las cargas móviles de camiones pesados y a vientos laterales con velocidades de 145 [km/h], o bien, una combinación de algunas de estas cargas?. A continuación describiremos todas cargas para las cuales está diseñada a resistir la estructura.
CARGAS MUERTAS.- Las cargas muertas son de magnitud constante que permanecen fijas en un mismo lugar. Estas son el peso propio de la estructura y otras cargas permanentemente unidas a ella. Para diseñar una estructura es necesario estimar los pesos o cargas muertas de sus componentes. Para el caso de nuestra estructura tenemos la carga ejercida por calamina y el peso de la misma estructura, se consideró para la calamina el valor de: CALAMINA = D = 10 [Kg/m2]
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media Correa
Carga unitaria
Area
Longitud de
Carga por unidad de
[Kgf/m2]
tributaria
correa [m]
longitud de correa [kgf/m]
[m2] 1
8
12,5
20,6
4,9
2
8
25
20,6
9,7
3
8
25
20,6
9,7
4
8
25
20,6
9,7
5
8
25
20,6
9,7
6
8
25
20,6
9,7
7
8
25
20,6
9,7
8
8
16,5
20,6
6,4
9
8
4
20,6
1,6
Tabla 2: Cargas muertas sobre correas.
Figura 7: Aplicación de las carga muertas a la estructura.
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
CARGAS POR SOBRE USO Se debe determinar la forma, tamaño y posición del miembro para que soporte con seguridad las cargas que se espera tomen la estructura. El peso de la estructura, que debe ser estimado de antemano, junto con todo el equipo permanentemente unido a ella, se denomina carga muerta.
Correa
Carga unitaria
Area
Longitud de
Carga por unidad de
[Kgf/m2]
tributaria
correa [m]
longitud de correa [kgf/m]
[m2] 1
60
11,16
20,6
32,5
2
60
22,31
20,6
65,0
3
60
22,31
20,6
65,0
4
60
22,31
20,6
65,0
5
60
22,31
20,6
65,0
6
60
22,31
20,6
65,0
7
60
22,31
20,6
65,0
8
60
16,42
20,6
47,8
9
60
5,26
20,6
15,3
Tabla 3: Cargas de sobreuso sobre correas.
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
CARGAS DE VIENTO.La estimación de estas cargas de ninguna manera puede considerarse como una ciencia exacta, las magnitudes de las cargas de viento varían según la ubicación geográfica, las alturas sobre el nivel del terreno, los tipos de terreno que rodean a los edificios, por lo general se supone que las cargas de viento se aplican uniformemente a las superficies de barlovento de los edificios y que pueden proceder de cualquier dirección. Sin embargo se utilizan normas para determinar la velocidad máxima de los vientos registrados en una región lo cual es muy importante. Las cargas de viento por lo general actúan perpendicular a la superficie pero se debe hallar su componente vertical para hallar la carga verdadera. Figura 8: Aplicación de las carga de sobreuso a la estructura. Correa
Carga unitaria
Area tributaria
Longitud
Carga por unidad de
[Kgf/m2]
[m2]
de correa
longitud de correa [kgf/m]
[m] 1
81,5
12,5
20,6
49,5
2
81,5
25
20,6
98,9
3
81,5
25
20,6
98,9
4
81,5
25
20,6
98,9
5
81,5
25
20,6
98,9
6
81,5
25
20,6
98,9
7
81,5
25
20,6
98,9
8
81,5
16,5
20,6
65,3
9
81,5
4
20,6
15,8
Tabla 4: Cargas de viento sobre correas. Para nuestro diseño consideramos el viento en todas las direcciones y una velocidad de: V = 130 [Km/h] Para llevarlo a una unidad de carga usamos: Sobrecarga de Viento (W) Presión dinámica del viento (Q) – DIN 1055
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media Q = v2 / 16 (Kg/m2) V = Velocidad del viento (m/s) Q=𝑉2/16 = 81.5 [Kg/m2]
A continuación analizamos en que deben aplicarse las cargas con ayuda de los planos. Considerando la distribución de largueros ya que estos serán los primeros en absorber y resistirá las cargas.
Figura 9: Aplicación de las carga de viento a la estructura.
Figura 10: Aplicación de las carga de viento en estructuras. Como las cargas se encuentran en unidades de [kg/m2] debemos llevarla a unidades de [kg/m], para poder aplicarlas en nuestro análisis, este procedimiento lo realizamos con
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media ayuda del área tributaria, que es el área de cargas que debe resistir cada larguero: Para llevarlo a una unidad de carga usamos: Q=𝑉216 = 81.5 [Kg/m2] A continuación analizamos en que deben aplicarse las cargas con ayuda de los planos. Considerando la distribución de largueros ya que estos serán los primeros en absorber y resistirá las cargas.
CARGAS DE LUMINARIAS En el proyecto se tiene un peso total de 1000 kg en luminarias considerando que se tienen 9 luminarias una por cada cercha se tienen cargas puntuales en la viga central cada una de 111 kg.
Figura 10: Aplicación de las carga de luminarias a la estructura.
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
ANÁLISIS DE ESFUERZOS Para esto utilizamos el criterio de Von Mises para materiales dúctiles.
Figura 11: Solicitaciones mecánicas sobre la estructura según von Misses
ANÁLISIS DE DEFORMACIONES
Figura 12: Comparación de la estructura con y sin deformación en el diseño inicial
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
Figura 13: Comparación de la estructura con deformación en el diseño inicial mostrando también su estado de esfuerzos
DISEÑO
EL LRFD (Load and Resistance factor design) es un método que se utiliza para el diseño de estructuras de acero, este nos permite hacer de una manera más eficaz nuestros proyectos.
Las cargas de trabajo o servicio (Qi) se multiplican por ciertos factores de carga o seguridad (λi–siempre mayores que 1.0)
Las cargas factorizadas usadas para el diseño de la estructura.
Las magnitudes de los factores de carga varían, dependiendo del tipo de combinación de las cargas.
La estructura se proporciona para que tenga una resistencia última de diseño suficiente para resistir las cargas factorizadas.
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media Esta resistencia es la resistencia teórica o nominal (Rn) del miembro estructural, multiplicada por un factor de resistencia (φ‐siempre menor que 1.0) Donde: U –la carga última D –cargas muertas (Dead load) L –cargas vivas (Live load) Lr –cargas vivas en techos (Roof Live load) S –cargas de nieve (Snow load) R –carga inicial de agua de lluvia o hielo (Rain water or ice load) W –fuerzas de viento (Wind load) E –Fuerzas de Sismo (Earthquake load)
Se base en los conceptos de estados límite. El estado límite es para describir una condición en la que una estructura o parte de ella deja de cumplir su pretendida función.
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
ESTUDIO DE COSTOS Y PRESUPUESTO: DATOS Precio de 1 kg de acero astm a 36 = 12.77 Bs Tiempo aproximado de construcción y acabado = 4 SEMANAS
Costos directos PIEZA
TIPO DE NUMERO DE MATERIAL PIEZAS A36 12 Barras A36 11 Barras A36 223 Barras A36 208 Barras SAE grado 568 Piezas 5 6 Cajas 6 Baldes 9,5
COSTO (Bs) 6495 1419 1968 50147 2616
35 Unidades 6 Horas 179
875 2100 9057 80502
Perfil U 80x40x2 Perfil L 1 ¼x1 ¼x2.5 Perfil L 1 ½ x1 ½ x2.5 Perfil C 80x40x15x2 Pernos SAE ᴓ=1 plg y L=3 plg más tuerca y volanda Caja de electrodo Pintura Anticorrosiva Transporte de Perfileria por tonelada Disco de corte de 9 plg Grua de montaje Calamina metros^2 TOTALES
635 690 4500
Costos indirectos
Energía Eléctrica Agua Mano de Obra TOTALES
COSTO 1000 500 12000 13500
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
Impuestos y Utilidad PIEZA
Impuesto al Valor Agregado(I.V.A) 13% (todas las ventas) cada vez Impuesto a la Transferencia(I.T) 3% (todas las ventas) Impuesto a la Utilidad de las Empresas(I.U.E) 25%
TIPO DE MATERIAL A36 A36 A36 A36 SAE grado 5 -
Perfil U 80x40x2 Perfil L 1 ¼x1 ¼x2.5 Perfil L 1 ½ x1 ½ x2.5 Perfil C 80x40x15x2 Pernos SAE ᴓ=1 plg y L=3 plg más tuerca y volanda Caja de electrodo Pintura Anticorrosiva Transporte de Perfileria por tonelada Disco de corte de 9 plg Grua de montaje Calamina metros^2 TOTALES
Energía Eléctrica Agua Mano de Obra TOTALES
NUMERO DE PIEZAS 12 Barras 11 Barras 223 Barras 208 Barras
COSTO (Bs) Crédito IVA 6495 1419 1968 50147
568 Piezas
2616
6 Cajas 6 Baldes
635 690
9,5
4500
35 Unidades 6 Horas 179
875 2100 9057 80502
COSTO Crédito IVA IT 1000 130 500 65 12000 1560 13500 1755
TOTAL CREDITO FISCAL TOTAL IT TOTAL IMPUESTOS
IT
844,35 184,47 255,84 6519,11
194,85 42,57 59,04 1504,41
340,08 82,55 89,7
78,48 19,05 20,7
585 113,75 273 1177,41
135 26,25 63 271,71
10465,26
2415,06
30 15 360 405
12220,26 2820,06 15040,32
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
PRECIO DE VENTA COSTO TOTAL
130850,8 109042,3
UTILIDAD BRUTA ANTES DE IMPUESTOS
115810,5
Debito Fiscal Crédito Fiscal
17010,6 15040,3
Diferencia Fiscal - IVA
1970,3
IT Utilidad Bruta Impuesto a las Utilidades de las Empresas Utilidad Neta
2820,1 92031,7 23007,9 69023,8
CONCLUSIONES:
Con los planos proporcionados por el docente se procedió a realizar la comprobación de las unidades de la estructura, se redibujo la estructura y no tenía ninguna diferencia con la estructura proporcionada para el presente proyecto.
Se corrigió la carga de viento debido a una velocidad determinada del mismo utilizando la formula, obteniendo una carga de 81.5 Kgf/m2 en vez de los 160 kgf/m2 provisto como carga por ser demasiado grandes.
Con
los
desarrolló
planos la
realizados
simulación
esfuerzos que actúan
de
se los
sobre la
estructura, para esto se usó el Software Ram Elements. Los apoyos de la estructura se mostraban como un empotramiento y un patín en x para permitir a la estructura una cierta holgura para posibles alivios de esfuerzos
debido
a
dilataciones GRUPO: ROOOOOOOCK
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media térmicas. Los resultados obtenidos en la primera simulación mostraban que la estructura se deformaba
plásticamente en toda la estructura debido la magnitud
de las cargas, por lo que se realizo una optimización de la misma, teniendo como resultado un aumento de las sección en cada uno de los perfiles de la tirante Perfil U 80x40x2 mm. A un perfil Perfil U 80x40x4 mm, con ello toda la estructura tuvo un comportamiento satisfactorio.
En el análisis de la estructura se logró verificar que todos los perfiles optimizados de la estructura soportaban las cargas a las que estaban sometidas.
Se obtuvieron los resultados del análisis de tensiones comprobando que aplicadas las cargas el material dúctil estaba poco solicitado a tensión lo cual es un buen resultado.
Se observó que en ciertos perfiles de la estructura había mayor
concentración
de
esfuerzos, para los cuales se determinó que no requerían ser cambiados simplemente reforzados. Con lo cual la estructura
soportará
las
cargas y no llegará a fallar en el caso que exista un esfuerzo mayor a los que se tomó en cuanta para el diseño.
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
ANEXOS
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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA
DOCENTE: Ing. Morato Gamboa Oscar MATERIA: Estructuras de acero ESTUDIANTES: Alvarez Astroña Víctor Hugo Castedo Ugarte Alberth Rene Guachalla Quispe Jose Luis CARRERA: Ing. Mecánica FECHA: 07-Diciembre-2017
Cochabamba- Bolivia GRUPO: ROOOOOOOCK
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
Contenido Cubierta caída ..................................................................................................................................... 3 Introducción .................................................................................................................................... 3 Objetivos ......................................................................................................................................... 3 Marco Teórico ................................................................................................................................. 3 Materiales ....................................................................................................................................... 6 Acero ASTM A36.......................................................................................................................... 6 Propiedades................................................................................................................................. 6 Propiedades Mecánicas............................................................................................................... 6 Formas ......................................................................................................................................... 7 Métodos de unión ....................................................................................................................... 7 INFORMACION DE LOS PERFILES ..................................................................................................... 8 CARGAS QUE ACTUAN SOBRE LA ESTRUCTURA ............................................................................ 12 CARGAS MUERTAS .................................................................................................................... 12 CARGAS POR SOBRE USO .......................................................................................................... 14 CARGAS DE VIENTO ................................................................................................................... 15 CARGAS DE LUMINARIAS .......................................................................................................... 17 ANÁLISIS DE ESFUERZOS ............................................................................................................... 18 ANÁLISIS DE DEFORMACIONES ..................................................................................................... 18 DISEÑO .......................................................................................................................................... 19 ESTUDIO DE COSTOS Y PRESUPUESTO: ......................................................................................... 21 CONCLUSIONES: ............................................................................................................................ 23 ANEXOS DE SIMULACION………………………………………………………………………………………………………….25
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
Cubierta caída Introducción.La utilización de cubiertas ligeras para la cobertura de distintos tipos de estructuras tiene un uso generalizado debido al poco peso, su fácil transporte y montaje, unido a un costo bastante reducido respecto a otros sistemas de cobertura. En la ejecución de los distintos trabajos, de desmontaje o montaje, de mantenimiento
o
de
limpieza
principalmente, sobre cubiertas ligeras ya sean planas o inclinadas se dan una serie de
Figura 1: Montaje estructura cubierta caída.
circunstancias, como pueden ser la altura a la que se efectúan los mismos, la baja resistencia y fragilidad de los materiales, las inclemencias atmosféricas, la pendiente mas o menos acentuada, etc. que hacen que el número de accidentes que se producen mientras se efectúan dichos trabajos tengan consecuencias casi siempre mortales o con incapacidades permanentes. El objetivo de la presente proyecto es dar a conocer los distintos tipos de factores de riesgo a los que se ven sometidos los operarios que realizan trabajos diversos sobre cubiertas ligeras como placas, claraboyas, lucernarios, etc. y las medidas de prevención y protección asociadas frente a los mismos.
Objetivos .
Analizar las posibles fallas en la estructura.
Solución de las posibles fallas en la estructura.
Obtener costos de la construcción de la estructura.
Recomendar el mejor material, y secciones que se disponen.
Marco Teórico.En la estructura a analizar no solo debe soportar con seguridad las cargas impuestas si no soportarlas en forma tal que las deflexiones y vibraciones resultantes no sean excesivas y alarmen a los ocupantes y causen grietas en ellas, también poder obtener o tener una idea GRUPO: ROOOOOOOCK
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media de los costos de la construcción tales como; uso de los elementos y materiales que no requieran un mantenimiento excesivo a través de los años y el de fabricarse y montarse sin mayor problemas con la seguridad que se requiere.
Se puede evidenciar que las estructuras fallan por diferentes factores de naturaleza ambiental, mal diseño de la estructura, mala elección de los perfiles ocasionando daños personales y materiales. Una falla frecuente se debe a que después de diseñar cuidadosamente los de una estructura, se seleccionan de forma arbitraria conexiones que pueden no ser de diferente tamaño, 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 torsores. En una armadura para la que se han diseñado los Figura 2: Estructura cubierta caída.
solo por 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. Algunas fallas estructurales ocurren porque no se da una atención adecuada a las deflexiones, fatiga de , arriostramiento contra ladeos, vibraciones y la posibilidad de pandeo de en compresión o de los patines de compresión. La estructura usual cuando está terminada esta suficientemente arriostrada con los pisos, muros, conexiones y arriostramiento especial, pero hay ocasiones durante la construcción en que muchos de esos elementos no están presentes. Con respecto a los métodos de análisis se basan en suposiciones parcialmente ciertas, a que las resistencias de los materiales varían apreciablemente ya que las cargas máximas solo pueden determinarse en forma aproximada, y también recomendar el mejor material que se dispone.
El diseño de la mayoría de las estructuras está regido por especificaciones o normas. La disponibilidad de las computadoras cambio drásticamente la manera en que se analiza y diseña una estructura de acero, muchos cálculos están implicados en el diseño del acero GRUPO: ROOOOOOOCK
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media estructural y muchos de esos cálculos consumen mucho tiempo, y con esta disponibilidad se puede reducir considerablemente el tiempo para esos cálculos, o incrementar la productividad en el diseño. Por esos motivos se realiza distintos tipos de simulaciones que se los puede hacer con diferentes programas no con la exactitud deseada pero si con una aproximación que nos da una referencia antes de realizar la construcción, también nos ayuda a estimar el costo total y tipos de perfiles utilizados.
Figura 3: Diseño de la estructura metálica
Figura 4: Introducción de la estructura metálica enGRUPO: RAM Elements. ROOOOOOOCK
5
Diseño y simulación de una estructura cubierta media
Materiales Acero ASTM A36. Es un acero estructural al carbono, utilizado en construcción de estructuras metálicas, puentes, torres de energía, torres para comunicación y edificaciones remachadas, atornilladas o soldadas, herrajes eléctricos y señalización. Composición química de la colada. Figura 5: Perfiles estructurales de acero Carbono (C)
0,26% máx
Manganeso (Mn)
No hay requisito
Fósforo (P)
0,04% máx
Azufre (S)
0,05% máx
Silicio (Si)
0,40% máx
* Cobre (Cu)
0,20% mínimo
*Cuando se especifique
Propiedades Como la mayoría de los aceros, el A36, tiene una densidad de 7850 kg/m³ (0.28 lb/in³). El acero A36 en barras, planchas y perfiles estructurales con espesores menores de 8 pulg (203,2 mm) tiene un límite de fluencia mínimo de 250 MPA (36 ksi), y un límite de rotura mínimo de 410 MPa (58 ksi). Las planchas con espesores mayores de 8 plg (203,2 mm) tienen un límite de fluencia mínimo de 220 MPA (32 ksi), y el mismo límite de rotura.
Propiedades Mecánicas Límite de fluencia mínimo Mpa
250
Psi
36000
Resistencia a la Tracción Psi
Mpa
Min
Máx
Min
Máx
58000
80000
400
550
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6
Diseño y simulación de una estructura cubierta media
Formas El acero A36 se produce en una amplia variedad de formas, que incluyen: Planchas, Perfiles estructurales, Tubos, Láminas.
Métodos de unión Las piezas hechas a partir de acero A36 son fácilmente unidas mediante casi todos los procesos
de
soldadura.
Los
más
comúnmente usados para el A36 son los menos
costosos
y
rápidos
como
la
Soldadura por arco metálico protegido (SMAW,
Shielded
metal
arc
welding),
Soldadura con arco metálico y gas (GMAW, Gas metal
arc
welding),
y soldadura
oxiacetilénica. El acero A36 es también comúnmente atornillado y remachado en las aplicaciones estructurales: edificios, puentes, torres, etc. Figura 6: Método de unión por soldadura.
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
INFORMACION DE LOS PERFILES
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media
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1 1
Diseño y simulación de una estructura cubierta media
CARGAS QUE ACTUAN SOBRE LA ESTRUCTURA
Tabla 1: Datos de cargas sobre estructura. CARGAS.Una de las tareas más importantes y difíciles que se debe enfrentar en el diseño de una estructura es la estimación precisa de las cargas que recibirá una estructura durante su vida útil, no debe omitirse la consideración de cualquier carga que pueda llegar a presentarse. Después de que se han estimado las cargas es necesario investigar las combinaciones más desfavorables que pueden ocurrir en un momento dado. Por ejemplo; ¿Qué situación es la más desfavorable en el diseño de un puente, que se encuentra cubierto totalmente de hielo y nieve y sujeto a las cargas móviles de camiones pesados y a vientos laterales con velocidades de 145 [km/h], o bien, una combinación de algunas de estas cargas?. A continuación describiremos todas cargas para las cuales está diseñada a resistir la estructura.
CARGAS MUERTAS.- Las cargas muertas son de magnitud constante que permanecen fijas en un mismo lugar. Estas son el peso propio de la estructura y otras cargas permanentemente unidas a ella. Para diseñar una estructura es necesario estimar los pesos o cargas muertas de sus componentes. Para el caso de nuestra estructura tenemos la carga ejercida por calamina y el peso de la misma estructura, se consideró para la calamina el valor de: CALAMINA = D = 10 [Kg/m2]
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Diseño y simulación de una estructura cubierta media Correa
Carga unitaria
Area
Longitud de
Carga por unidad de
[Kgf/m2]
tributaria
correa [m]
longitud de correa [kgf/m]
[m2] 1
8
12,5
20,6
4,9
2
8
25
20,6
9,7
3
8
25
20,6
9,7
4
8
25
20,6
9,7
5
8
25
20,6
9,7
6
8
25
20,6
9,7
7
8
25
20,6
9,7
8
8
16,5
20,6
6,4
9
8
4
20,6
1,6
Tabla 2: Cargas muertas sobre correas.
Figura 7: Aplicación de las carga muertas a la estructura.
GRUPO: ROOOOOOOCK
1 3
Diseño y simulación de una estructura cubierta media
CARGAS POR SOBRE USO Se debe determinar la forma, tamaño y posición del miembro para que soporte con seguridad las cargas que se espera tomen la estructura. El peso de la estructura, que debe ser estimado de antemano, junto con todo el equipo permanentemente unido a ella, se denomina carga muerta.
Correa
Carga unitaria
Area
Longitud de
Carga por unidad de
[Kgf/m2]
tributaria
correa [m]
longitud de correa [kgf/m]
[m2] 1
60
11,16
20,6
32,5
2
60
22,31
20,6
65,0
3
60
22,31
20,6
65,0
4
60
22,31
20,6
65,0
5
60
22,31
20,6
65,0
6
60
22,31
20,6
65,0
7
60
22,31
20,6
65,0
8
60
16,42
20,6
47,8
9
60
5,26
20,6
15,3
Tabla 3: Cargas de sobreuso sobre correas.
GRUPO: ROOOOOOOCK
1 4
Diseño y simulación de una estructura cubierta media
CARGAS DE VIENTO.La estimación de estas cargas de ninguna manera puede considerarse como una ciencia exacta, las magnitudes de las cargas de viento varían según la ubicación geográfica, las alturas sobre el nivel del terreno, los tipos de terreno que rodean a los edificios, por lo general se supone que las cargas de viento se aplican uniformemente a las superficies de barlovento de los edificios y que pueden proceder de cualquier dirección. Sin embargo se utilizan normas para determinar la velocidad máxima de los vientos registrados en una región lo cual es muy importante. Las cargas de viento por lo general actúan perpendicular a la superficie pero se debe hallar su componente vertical para hallar la carga verdadera. Figura 8: Aplicación de las carga de sobreuso a la estructura. Correa
Carga unitaria
Area tributaria
Longitud
Carga por unidad de
[Kgf/m2]
[m2]
de correa
longitud de correa [kgf/m]
[m] 1
81,5
12,5
20,6
49,5
2
81,5
25
20,6
98,9
3
81,5
25
20,6
98,9
4
81,5
25
20,6
98,9
5
81,5
25
20,6
98,9
6
81,5
25
20,6
98,9
7
81,5
25
20,6
98,9
8
81,5
16,5
20,6
65,3
9
81,5
4
20,6
15,8
Tabla 4: Cargas de viento sobre correas. Para nuestro diseño consideramos el viento en todas las direcciones y una velocidad de: V = 130 [Km/h] Para llevarlo a una unidad de carga usamos: Sobrecarga de Viento (W) Presión dinámica del viento (Q) – DIN 1055
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1 5
Diseño y simulación de una estructura cubierta media Q = v2 / 16 (Kg/m2) V = Velocidad del viento (m/s) Q=𝑉2/16 = 81.5 [Kg/m2]
A continuación analizamos en que deben aplicarse las cargas con ayuda de los planos. Considerando la distribución de largueros ya que estos serán los primeros en absorber y resistirá las cargas.
Figura 9: Aplicación de las carga de viento a la estructura.
Figura 10: Aplicación de las carga de viento en estructuras. Como las cargas se encuentran en unidades de [kg/m2] debemos llevarla a unidades de [kg/m], para poder aplicarlas en nuestro análisis, este procedimiento lo realizamos con
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1 6
Diseño y simulación de una estructura cubierta media ayuda del área tributaria, que es el área de cargas que debe resistir cada larguero: Para llevarlo a una unidad de carga usamos: Q=𝑉216 = 81.5 [Kg/m2] A continuación analizamos en que deben aplicarse las cargas con ayuda de los planos. Considerando la distribución de largueros ya que estos serán los primeros en absorber y resistirá las cargas.
CARGAS DE LUMINARIAS En el proyecto se tiene un peso total de 1000 kg en luminarias considerando que se tienen 9 luminarias una por cada cercha se tienen cargas puntuales en la viga central cada una de 111 kg.
Figura 10: Aplicación de las carga de luminarias a la estructura.
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1 7
Diseño y simulación de una estructura cubierta media
ANÁLISIS DE ESFUERZOS Para esto utilizamos el criterio de Von Mises para materiales dúctiles.
Figura 11: Solicitaciones mecánicas sobre la estructura según von Misses
ANÁLISIS DE DEFORMACIONES
Figura 12: Comparación de la estructura con y sin deformación en el diseño inicial
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1 8
Diseño y simulación de una estructura cubierta media
Figura 13: Comparación de la estructura con deformación en el diseño inicial mostrando también su estado de esfuerzos
DISEÑO
EL LRFD (Load and Resistance factor design) es un método que se utiliza para el diseño de estructuras de acero, este nos permite hacer de una manera más eficaz nuestros proyectos.
Las cargas de trabajo o servicio (Qi) se multiplican por ciertos factores de carga o seguridad (λi–siempre mayores que 1.0)
Las cargas factorizadas usadas para el diseño de la estructura.
Las magnitudes de los factores de carga varían, dependiendo del tipo de combinación de las cargas.
La estructura se proporciona para que tenga una resistencia última de diseño suficiente para resistir las cargas factorizadas.
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1 9
Diseño y simulación de una estructura cubierta media Esta resistencia es la resistencia teórica o nominal (Rn) del miembro estructural, multiplicada por un factor de resistencia (φ‐siempre menor que 1.0) Donde: U –la carga última D –cargas muertas (Dead load) L –cargas vivas (Live load) Lr –cargas vivas en techos (Roof Live load) S –cargas de nieve (Snow load) R –carga inicial de agua de lluvia o hielo (Rain water or ice load) W –fuerzas de viento (Wind load) E –Fuerzas de Sismo (Earthquake load)
Se base en los conceptos de estados límite. El estado límite es para describir una condición en la que una estructura o parte de ella deja de cumplir su pretendida función.
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2 0
Diseño y simulación de una estructura cubierta media
ESTUDIO DE COSTOS Y PRESUPUESTO: DATOS Precio de 1 kg de acero astm a 36 = 12.77 Bs Tiempo aproximado de construcción y acabado = 4 SEMANAS
Costos directos PIEZA
TIPO DE NUMERO DE MATERIAL PIEZAS A36 12 Barras A36 11 Barras A36 223 Barras A36 208 Barras SAE grado 568 Piezas 5 6 Cajas 6 Baldes 9,5
COSTO (Bs) 6495 1419 1968 50147 2616
35 Unidades 6 Horas 179
875 2100 9057 80502
Perfil U 80x40x2 Perfil L 1 ¼x1 ¼x2.5 Perfil L 1 ½ x1 ½ x2.5 Perfil C 80x40x15x2 Pernos SAE ᴓ=1 plg y L=3 plg más tuerca y volanda Caja de electrodo Pintura Anticorrosiva Transporte de Perfileria por tonelada Disco de corte de 9 plg Grua de montaje Calamina metros^2 TOTALES
635 690 4500
Costos indirectos
Energía Eléctrica Agua Mano de Obra TOTALES
COSTO 1000 500 12000 13500
GRUPO: ROOOOOOOCK
2 1
Diseño y simulación de una estructura cubierta media
Impuestos y Utilidad PIEZA
Impuesto al Valor Agregado(I.V.A) 13% (todas las ventas) cada vez Impuesto a la Transferencia(I.T) 3% (todas las ventas) Impuesto a la Utilidad de las Empresas(I.U.E) 25%
TIPO DE MATERIAL A36 A36 A36 A36 SAE grado 5 -
Perfil U 80x40x2 Perfil L 1 ¼x1 ¼x2.5 Perfil L 1 ½ x1 ½ x2.5 Perfil C 80x40x15x2 Pernos SAE ᴓ=1 plg y L=3 plg más tuerca y volanda Caja de electrodo Pintura Anticorrosiva Transporte de Perfileria por tonelada Disco de corte de 9 plg Grua de montaje Calamina metros^2 TOTALES
Energía Eléctrica Agua Mano de Obra TOTALES
NUMERO DE PIEZAS 12 Barras 11 Barras 223 Barras 208 Barras
COSTO (Bs) Crédito IVA 6495 1419 1968 50147
568 Piezas
2616
6 Cajas 6 Baldes
635 690
9,5
4500
35 Unidades 6 Horas 179
875 2100 9057 80502
COSTO Crédito IVA IT 1000 130 500 65 12000 1560 13500 1755
TOTAL CREDITO FISCAL TOTAL IT TOTAL IMPUESTOS
IT
844,35 184,47 255,84 6519,11
194,85 42,57 59,04 1504,41
340,08 82,55 89,7
78,48 19,05 20,7
585 113,75 273 1177,41
135 26,25 63 271,71
10465,26
2415,06
30 15 360 405
12220,26 2820,06 15040,32
GRUPO: ROOOOOOOCK
2 2
Diseño y simulación de una estructura cubierta media
PRECIO DE VENTA COSTO TOTAL
130850,8 109042,3
UTILIDAD BRUTA ANTES DE IMPUESTOS
115810,5
Debito Fiscal Crédito Fiscal
17010,6 15040,3
Diferencia Fiscal - IVA
1970,3
IT Utilidad Bruta Impuesto a las Utilidades de las Empresas Utilidad Neta
2820,1 92031,7 23007,9 69023,8
CONCLUSIONES:
Con los planos proporcionados por el docente se procedió a realizar la comprobación de las unidades de la estructura, se redibujo la estructura y no tenía ninguna diferencia con la estructura proporcionada para el presente proyecto.
Se corrigió la carga de viento debido a una velocidad determinada del mismo utilizando la formula, obteniendo una carga de 81.5 Kgf/m2 en vez de los 160 kgf/m2 provisto como carga por ser demasiado grandes.
Con
los
desarrolló
planos la
realizados
simulación
esfuerzos que actúan
de
se los
sobre la
estructura, para esto se usó el Software Ram Elements. Los apoyos de la estructura se mostraban como un empotramiento y un patín en x para permitir a la estructura una cierta holgura para posibles alivios de esfuerzos
debido
a
dilataciones GRUPO: ROOOOOOOCK
2 3
Diseño y simulación de una estructura cubierta media térmicas. Los resultados obtenidos en la primera simulación mostraban que la estructura se deformaba
plásticamente en toda la estructura debido la magnitud
de las cargas, por lo que se realizo una optimización de la misma, teniendo como resultado un aumento de las sección en cada uno de los perfiles de la tirante Perfil U 80x40x2 mm. A un perfil Perfil U 80x40x4 mm, con ello toda la estructura tuvo un comportamiento satisfactorio.
En el análisis de la estructura se logró verificar que todos los perfiles optimizados de la estructura soportaban las cargas a las que estaban sometidas.
Se obtuvieron los resultados del análisis de tensiones comprobando que aplicadas las cargas el material dúctil estaba poco solicitado a tensión lo cual es un buen resultado.
Se observó que en ciertos perfiles de la estructura había mayor
concentración
de
esfuerzos, para los cuales se determinó que no requerían ser cambiados simplemente reforzados. Con lo cual la estructura
soportará
las
cargas y no llegará a fallar en el caso que exista un esfuerzo mayor a los que se tomó en cuanta para el diseño.
GRUPO: ROOOOOOOCK
2 4
Diseño y simulación de una estructura cubierta media
ANEXOS
GRUPO: ROOOOOOOCK
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