Criterios de análisis, diseño y fabricación para naves industriales by IMCA

Criterios de análisis, diseño y fabricación para naves industriales Oliver UBANDO, Mauricio OSORIO, Carlos FERREIRO Amador TERÁN, Carlos RUIZ

Resumen. Los inmuebles industriales o naves industriales se han construido en acero, aportando al proyecto grandes espacios, estructuras rígidas y muy ligeras. Las piezas que se repiten constantemente tipificando los elementos que la forman. Uno a uno los elementos montados incrementa rigidez al sistema, vulnerable en el proceso de montaje y suficientemente resistente en conjunto. El diseño requiere identificar cada uno de los pasos a seguir y ser analizados de forma individual. La fabricación aporta criterios de mucho valor como: materiales, secciones y procesos de producción, para definir el sistema estructural a utilizar en consecuencia el análisis y diseño.

Antecedentes. Las naves industriales son inmuebles cuyo objetivo principal es proteger o aislar del medio ambiente, un espacio en el cual se realizan actividades varias tales como la estiba ó almacenamiento y la producción por medios manuales, mecánicos y automático de todos aquellos elementos que utilizamos en la vida diaria. Por la función que realizan, la volumetría, geometría y estructura de las naves industriales se definen desde el interior hacia el exterior. En la mayoría de los casos son muy simples, de planta rectangular, altura interior importante, techos a dos aguas y fachadas cerradas. La estructura delimita la forma interior y es su imagen exterior, por ello son parte esencial del aspecto del inmueble. Otras variables importantes en la función de una nave industrial son la amplitud y la altura, representadas en la separación entre columnas, reduciendo la cantidad de estos elementos y la altura que permite una atmosfera interior adecuada. Es importante destacar que todo aquello que se encuentra al interior de una nave industrial tiene un valor comercial mayor que el mismo inmueble. Un ejemplo es el producto terminado de un proceso ó la maquinaria de producción, que al ser intemperizada presentara sobrecostos a la industria en forma de: pérdidas, retrasos, mantenimiento, etc. Por lo anterior en el análisis y diseño deberán considerarse factores de seguridad adecuados.

Figura 1. Interior y exterior de una nave de almacenamiento.

Figura 2. Forma de las naves industriales.

Configurración y ele ementos de una Nave: La forma más común n de las nave es industrialles es un priisma rectang gular cuya ta apa presenta a una o más incclinaciones. Existe un na amplia ga ama de siste emas estructturales apliccables a las naves indusstriales, cada a uno de ellos aporta a valore es a las variiables de la función de una u nave ind dustrial, lo cual se expon ne en resultado os diferentes s. Uno de lo os sistemass más utiliza ados para este e tipo de inmuebles es la mezcla de d marcos rígidos r en la a dirección n transversa al ligados con c un siste ema de pun ntales y diagon nales en la dirección d lo ongitudinal. Los marccos rígidos están e formad dos por columnas y trab bes. Una carracterística particular p de e ellos es la continuidad enttre las uniones de sus ellementos. Los punttales y diag gonales form man una armadura a en n la cubiertta contraven nteados ubic cados en lass fachadas la aterales del edificio.

y se un nen con marcos

de transm Estos do os sistemas s cuyos mecanismos m misión de cargas c son completam mente diferentess, los marco os transmiten n las fuerzass proporcion nal a su rigid dez por flexió ón (flexión‐corrtante) y las arm maduras exclusivamente por su rigidez axial (tenssión‐compresióón).

Cubierta a un a C gua.

b) Cubierta a do os aguas.

Cubierta con múltiples pendientes.

C e de sierra. d) Cubierta diente

Figura 3. Forma de las naves industriales Al realiza ar una divisió ón de los ele ementos esttructurales que q forman una u nave ind dustrial, se puede p obtener: • • • •

Ellementos prin ncipales; marrcos, columna as, puntales d de cubierta y fachadas, diiagonales de cu ubierta y fach hadas. Ellementos de ccubierta y facchadas; largueeros y puntalees de fachada as. Ellementos seccundarios; rio ostras de tra abes, riostras de columna as, riostras de d largueros, rio ostras de cub bierta y piezass chicas. Ellementos tercciarios; bastid dores para pu uertas, ventan nas e instalaciiones.

Marcos rígidos transversales.

b) Armadura longitudinal.

Figura 4. Sistemas estructurales ortogonales. Cada uno de los grupos anteriores cumple por separado una función independiente en el proceso de transmisión de fuerzas, los cuales podemos dividir en: • • •

Recepción de cargas; lámina de cubierta y fachadas así como los bastidores. Transmisión de cargas; largueros de cubierta y fachadas, marcos, puntales, diagonales, columnas de fachadas. Estabilidad; riostras y piezas chicas.

Una característica muy particular de la estructura de una nave industrial es el hecho que presenta un mecanismo bien definido de la transmisión de la cargas. Los marcos transversales pueden ser de una gama muy amplia de elementos, como armaduras, secciones de peralte constante o variable, entre otras. En el caso particular de este trabajo se consideran elementos como columnas y trabes de sección variable, que cambian el peralte en función de su longitud. Ello le permite seguir la forma del diagrama de elementos mecánicos e incrementar su eficiencia. Los elementos de sección variable, pueden ser fabricados con placas de diferente espesor para alma y patines. La unión entre las placas se realiza mediante la aplicación de soldadura continua o intermitente, por procesos manuales, automáticos o semiautomáticos. Los elementos armados de placa, no son la única opción ya que en los tramos en los que el diseño conserva una sección de peralte constante podrá utilizar perfiles laminados y mediante cartelas del mismo perfil se pueden formar elementos de peralte variable. Ortogonal a los marcos las armaduras formadas por: puntales de compresión, comúnmente dos montenes en cajón y las diagonales de barras redondas. Se conectan a los marcos con tornillos o piezas mecánicas.

Figura 5. Estructura de una nave industrial.

Cargas aplicables a una nave. Acciones principales de diseño. Al igual que en el diseño de inmuebles urbanos, se realiza un análisis de cargas para determinar el valor de la carga muerta. La carga viva se define en lo códigos de construcción aplicables a la entidad, así como las cargas accidentales. Carga muerta: Definido en los códigos, la carga muerta es: “los pesos de todos los elementos constructivos, de los acabados y de todos los elementos que ocupan una posición permanente y tienen un peso que no cambia sustancialmente con el tiempo” (ref. 11). Su evaluación se realiza utilizando las dimensiones teóricas de los diferentes elementos que conforman la estructura y de todos los elementos que gravitarán sobre el edificio, ligados al peso volumétrico de los materiales de cada uno de ellos. Para el caso particular de las naves industriales, identificamos los siguientes elementos: la estructura del inmueble, láminas de cubierta y fachadas, instalaciones, equipos y/o una carga colateral. Este tipo de inmuebles normalmente no cuentan con acabados en techo (plafón, impermeabilizante, relleno, etc.), muros (lambrin, aplanados, etc.) o acabados de piso.

Figura 6. Acabados de una nave industrial. La carga colateral se define como un valor que engloba generales y particulares no definidos en el proyecto como puede ser instalaciones y/o equipos principalmente, acabados, estructura, etc. La experiencia y/o el propietario definen su valor en función de programa de desarrollo del la industria. Los elementos que forman la carga muerta son: • Cimentación. • Marcos, columnas, trabes, puntales y diagonales. • Piezas chicas. • Largueros de cubierta y fachada. • Lamina de cubierta y fachadas. • Instalaciones y equipos. Instalaciones: son muy pocas en la mayoría de los casos eléctricas, también se colocan instalaciones contra incendios. En lo particular y por trayectorias definidas por el proceso de producción se colocan en las columnas, instalaciones adicionales las cuales pueden ser consideradas como carga colateral. En lo estricto de la materia la ingeniería estructural requiere la definición del tipo de instalaciones y sus trayectorias para evaluar el peso generalizado, de no ser así el propietario o promotor del proyecto podrán definir un valor único. En el caso que exista instalaciones suspendidas de los largueros de cubierta o fachadas se deberán realizar análisis y diseños locales y/o particulares. La experiencia compartida a lo largo del tiempo ha propuesto valores de carga colateral equivalente a 25 kg/m2 de instalaciones mixtas (contraincendios, eléctricas, especiales, etc.), la industria automotriz a adoptado valores hasta de 40 kg/m2. Cada uno de los procesos a realizar al interior de una nave industrial, podrá definir un valor diferente en función de su propia evolución, desarrollo ó cambio. Carga Viva: Han sido definidas por las autoridades, son aquellas que “se producen por el uso y ocupación de las edificaciones y que no tiene carácter permanente” (ref. 11). El personal, material y herramientas requerida para el mantenimiento, así como los todo aquello que se colocara temporalmente en la cubierta, forma la carga viva.

Figura 7. Instalaciones dentro de una nave industrial. Los códigos utilizados en México (ref. 11 y 12), definen dos valores de carga viva para cubiertas en función de la inclinación o pendiente efectiva (estructura deformada por su peso propio):

Carga viva

Pendiente efectiva Menor al Mayor al 5% 5% Máxima, Wm

100 kg/m2

40 kg/m2

Accidental, Wa

70 kg/m2

20 kg/m2

Media, W

15 kg/m2

5 kg/m2

Los valores anteriores, están restringidos con los siguientes comentarios:

“Las cargas vivas especificadas para cubiertas y azoteas no incluye las cargas producidas por tinacos y anuncios, ni las que se deben a equipos u objetos pesados que pueden apoyarse en o colgarse del techo. Estas cargas deben preverse por separado y especificarse en los planos estructurales”. En otros códigos como lo son los americanos el ASCE1 y el IBC2 (ref. 4 y 17), utilizan los siguientes valores máximos: Carga viva Tipo de cubiertas uniforme Planas, inclinadas y curvas ordinarias

97.8 kg/m2

Para fabricas soportadas por estructuras esqueletales rígidas y ligueras

24.7 kg/m2

Con comentarios y cotas similares a la ya definidas. Carga de granizo:

1 2

American Society of Civil Engineers. International Building Code.

4 Las NTC C3 sobre Crite erios y Accio ones para el e Diseño Esstructural de las Edificacciones del RCDF R han sido adoptadas en e todo el pa aís. En ellass se define una u carga po or la acumulación de gra anizo, d la siguien nte manera: distribuida en los vallles y superficie (ref. 12), de

“Addemás, en ell fondo de los valles de d techos innclinados se consideraráá una cargaa debidda al granizo de 30 kiloggramos por cada metro cuadrado dee proyecto horizontal h deel techoo que desagü üe hacia el valle. v Esta caarga se conssiderará com mo una accióón accidentaal paraa fines de la a revisión de d la segurridad y se le l aplicaránn los factorres de cargaa correespondientess según la seección 3.4”

a a)

b) Figura 8. Conc F centración dee granizo en la a cubierta de techo.

“Parra tomar en cuenta el effecto de grannizo, Wm se tomara iguaal a 100 kg/m2 y se trataráá comoo una carga accidental para p fines de d calcular loos factores de d carga de acuerdo conn lo esstablecido en n la sección 3.4. Esta carga no es aditiva a a loss valores def efinidos en laa tablaa” Este valo or es muy grande, g su consideració ón es produ ucto de la experiencia e adquirida en e los colapsos de cubierttas muy lig geras para mercado popular p y otros o inmuebles, los cuales c comúnme ente carece en de un análisis, dise eño y fabriccación adeccuados. Se instalan prretiles perimetra ales como parte p de una a imagen extterior (fachadda), los cuale es se convie erten en barrreras impidiend do el derram me del granizo acumulado en los bo ordes, los sistemas de descarga no o son adecuado os o no cuen ntan con el mantenimien m nto regular.

3 4

Normas Técnicas T Comp plementarias. Reglamennto de Construccciones para ell Distrito Federral.

Figura 9. Diistribución un niforme de gra anizo en la cu ubierta. Carga po or cambio de d temperattura: en como: “En “ los caso os en que uno u ó más componente c es o grupos de ellos en n una Se define

construccción estén sujetos a variaciones v de temperratura que pueda intrroducir esfu uerzos significattivos en los m miembros dee la estructura deberán cconsiderarsee al revisar la as condicion nes de seguridad d ante los liimites de falla y de servvicios de la misma, en combinación c n con los deebidos efectos d de las accionees permanen ntes”. Un ejemp plo de las cargas por cambios de temperatura t es la irradiación solar en los techo os de las navess industriale es, produciendo la dilata ación de la estructura y contraccion nes por la noche n de la atmo con el enfriamiento e osfera. Día a día la dilatación y contracción c de la estru uctura produce esfuerzos y deforma aciones en la misma e instalacciones. Ello os deberán n ser ados en el diseño d de la estructura yy de las insttalaciones assí como su ssuspensión, de d no considera hacerlo la as instalacio ones como la de agua podrían p pressentar fugass dañando el e contenido de la nave. Normalm mente para evitar esfu uerzos sign nificativos en e los elem mentos esttructurales y de recubrimiento resulta a practico in ntroducir jun ntas de consstrucción o aislamiento que reduzccan y permitan ignorar en el e diseño loss efectos porr cambios de e temperatura.

Figura a 10. Exposició ón a la radiacción solar e in nstalaciones ccontra incendiio.

Deformaciones impuestas: Causadas por asentamientos diferenciales en apoyos como zapatas, afecta los esfuerzos en los marcos los cuales comúnmente son muy pequeños por los claros que el inmueble presenta. Sin embargo afecta directamente a las instalaciones y equipos que operan dentro como: grúas, tuberías, nivelaciones de equipos etc., afecta a los equipos delicados como instalaciones hidráulicas e instalaciones especiales entre otras. Vibraciones: Por la amplitud de los espacios los periodos locales de vibrar de la estructura, son muy amplios lo cual hace que el inmueble no sea sensible a las vibraciones de equipos instalados en el mismo. Normalmente estos equipos se instalan con aisladores en su base. Viento. El viento se define como: “la corriente de aire producida en la atmosfera por causas naturales” ó “el movimiento aproximadamente horizontal del aire, motivado por la diferencia de presión barométrica entre dos lugares”. El viento no fluye con intensidad regular, sino que lo hace en ráfagas, de manera que su velocidad de momentos acrece, en tanto disminuye en otros. El flujo del aire (viento) alrededor de un inmueble, genera una presión y succión en la superficie exterior. La dirección del viento con relación a la orientación, ubicación y forma del inmueble, define en cada uno de los planos que lo forman los valores de presión y/o succión actuante. Las naves industriales tienen en sus fachadas y cubierta, aberturas como: ventanas, puertas, etc., la cantidad de estas define un concepto llamado permeabilidad. Estas aberturas permiten al aire entrar al inmueble y generar una presión interior. La CFE, ha definido una serie de mapas definiendo el valor de la velocidad del viento en diferentes puntos geográficos de la república mexicana, para diferentes periodos de retorno. La aplicación de una fuerza producto del viento en una nave, es función de la velocidad, la forma del inmueble y topografía del lugar. El cálculo de las cargas producto de la acción del viento en un inmueble consiste en transformar con varios factores el viento (flujo del aire). Dichos factores y su forma de cálculo se defienden en el Manual de diseño por Viento de la CFE (ref. 9). Calculadas las presiones actuantes y los factores aplicables a cada uno de los elementos que forman la estructura; marcos, columnas de viento, largueros de cubierta y fachadas, se aplican a los modelos de análisis. Es importante mencionar que los factores generan valores de presión diferentes en los elementos de la estructura principal, secundarias, terciaria y revestimiento. En un modelo 2D las cargas por viento se calculan con el ancho tributario de cada elemento multiplicado por la presión actuante. En caso de hacer un modelo 3D deberán exponerse en condiciones de carga independientes.

Factores aplicables a naves industriales. Conceptos para la clasificación de una nave industrial

Clasificación de la estructura según su importancia Según su respuesta ante ráfagas y dinámica eólica Categoría del terreno Clase de estructura Velocidad regional Factor de tamaño Factor de rugosidad Factor de topografía local Factor de corrección por temperatura Coeficientes de presión Factor de reducción por tamaño de área Factor de presión local

Tipo o factor

A ó B 1 1, 2, 3 ó 4 A ó C

VR Fc Frz FT G Cp KA KL

Mapas 0.8, 0.9 o 1

El valor de la presión ó succión en las superficies de la nave, combinados con las cargas muertas y/o vivas genera diagramas de elementos mecánicos diferentes y es el más desfavorable el que se deberá utilizar para el diseño estructural. Sismo: El movimiento del suelo se transmite al inmueble, cuyo peso ó masa es muy pequeño de 30 a 60 kg/m2. Incluye el peso propio, carga viva accidental, instalaciones o carga colateral, lo que define fuerzas de inercia muy pequeñas por la acción de un sismo. Una vez definido que el comportamiento mecánico de cada una de las direcciones ortogonales de la estructura es independiente, es importante destacar el comportamiento dúctil y la redundancia del sistema estructural. Los marcos pueden tener una gran capacidad de disipación de energía inelástica por deformación y una mayor redundancia, por lo cual se podrán adoptar valores de comportamiento dúctil Q iguales a 2 ó mayores. Sin embargo los sistemas con diagonales de cubierta y fachadas formados por armaduras (contravientos), tiene el inconveniente de que su capacidad de disipación de energía inelástica es muy reducida y su redundancia es muy limitada, por lo cual a este sistema normalmente se le asigna un factor de comportamiento dúctil Q iguales a 1.

Figura 11. Mapas de isotacas de la República Mexicana. Si enumeramos la cantidad de marcos que aportan rigidez transversal y las armaduras la rigidez longitudinal, estas últimas son en cantidad mucho menos que las otras, por lo que la redundancia del sistema es mucho menor. Ello es común ya que la eficiencia de los sistemas con diagonales de función de su capacidad axial.

a) Marcos transversales

b) Armaduras longitudinales Figura 12. Sistemas estructurales ortogonales deformados.

0.1

Z‐A / S‐1 Z‐B / S‐1 Z‐C / S‐1 Z‐D / S‐1

Z‐A / S‐2 Z‐B / S‐2 Z‐C / S‐2 Z‐D / S‐2

Z‐A / S‐3 Z‐B / S‐3 Z‐C / S‐3 Z‐D / S‐3

0.01 0.01

0.1

Figura 13. Espectros de diseño sísmico de la CFE. a (zona / suelo, T vs. /g)

Análisis estructural de una nave. El análisis y diseño de una nave tiene como misión desarrollar un sistema de flujo de fuerzas que responde a una forma funcional prefijada. La geometría y secciones de los marcos en la dirección transversal, son el resultado de la lógica de la mecánica de fuerzas. En la actualidad el análisis estructural de cualquier inmueble se realizar con programas de cómputo especializados, la estructura de una nave industrial no es la excepción. Dichos programas realizan modelos analíticos que representan matemáticamente al inmueble y cada uno de los elementos considerados. Se pude realizar modelos en dos o tres dimensiones, sin embargo los resultados de ambos deberán ser prácticamente iguales. Ello se debe al comportamiento mecánico individual de la estructura en sus dos direcciones ortogonales. A continuación se exponen características y parámetros de los modelos en 2D y 3D: Modelos 2D: El inmueble se divide en una serie de modelos planos similares, igual geometría y cargas. Comúnmente se realizan los siguientes modelos: • Marco principal o interior cuyo ancho tributario es mayor. • Marco cabecero o extremo, con un ancho tributario menor (la mitad). • Armadura longitudinal de cubierta y fachadas. • Largueros de cubierta. • Largueros de fachada. • Columnas de viento.

a) marcos rígidos

b) armadura de cubierta

flexión en el plano

d) fuerzas axiales

Figura 14. Modelos en 2D. Modelos 3D: Consiste en realizar un solo modelo que incluya los dos sistemas estructurales ortogonales como son los marcos rígidos y las armaduras longitudinales de cubierta y fachada, largueros de cubierta, columnas de viento y largueros de fachada. Así como todos los tipos de cargas verticales, laterales y sus combinaciones para el diseño. Este tipo de modelos deberá considerar que en una nave industrial muchos elementos no tienen capacidad a la compresión, como son las diagonales de cubierta y fachadas. Especificar el arriostramiento lateral de cada elemento así como su longitud efectiva, entre otros.

Figura 15. Modelo 3D.

Estado limite de servicio (deformaciones). Se definen como:

“Estado limite de servicio: las deformaciones en su plano y fuera de este, de cada elemento que forma la estructura no afectaran el correcto funcionamiento del inmueble” Una vez realizado el análisis de los elementos que forma la estructura, se calculan la deformaciones producto de las carga impuestas, verticales (peso propio, muerta y viva) y laterales (viento y sismo).

Los códigos definen los valores máximos permitidos de la deformación ante la acción de las cargas y sus combinaciones. Estos valores tiene como objeto principal el buen funcionamiento del inmueble durante su vida útil. El exceder los límites establecidos producirá un mal funcionamiento, como es un cambio en las especificaciones de operación de los equipos, hasta deformaciones permanentes en la estructura y sus consecuencias.

•

Deformaciones Verticales.

Los desplazamientos verticales relativos máximos permisibles para los elementos estructurales de cubiertas flexibles no serán mayores que: 180 ó

0.0056

350 ó

0.0029

0.0083 120 ó donde

calculados con la aplicación de la carga viva máxima.

es la separación entre apoyos.

Figura 16. Deformaciones verticales.

•

Deformaciones laterales.

Los desplazamientos laterales relativos máximos permisibles para los marcos y armaduras longitudinales no serán mayores que:

NTC

0.005

AISC

0.0025

400

0.005

200

UBC sismo donde

0.004

200

calculados con la aplicación de la combinación de cargas de viento o sismo, sin factores de carga. Para viento para periodos menores a 0.7s y sistemas de contraventeados Para otras estructuras

ó 250 es la separación entre apoyos.

En caso de los desplazamientos producidos por la fuerza de viento, ellos no deberán ser amplificados o reducidos por factor alguno, ya que los factores han sido utilizados para calcular la presión actuante en su diferentes variantes. Para el caso de los efectos de sismo, deberán utilizarse las recomendaciones definidas en la NTC (ref. 11).

Figura 17. Deformaciones laterales.

Estado límite de falla (diseño). Se definen como:

“Estado límite de falla: las fuerzas actuantes en los elementos de la estructura no serán mayores que la capacidad resistente de estos mismos” Una vez realizado el análisis y satisfechos los estados límite de servicio, realizamos la labor del diseño estructural. El diseño en estructuras metálicas consiste en determinar la carga máxima resistente de cada uno de los elementos que forma la estructura, sea axial de tensión ó compresión a lo largo del elementos, de flexión alrededor de sus ejes transversales, de cortante paralelos a sus ejes transversales ó de torsión alrededor de su eje longitudinal. Se deberán considerar en el cálculo de la carga resistente, el esfuerzo nominal de material seleccionado y las condiciones de frontera en los extremos y a lo largo del elemento. El acero utilizado para la producción de la materia prima, en sus diferentes presentaciones, podrá tener valores correspondientes al límite elástico y limite de ruptura diferentes. Es muy importante durante el diseño utilizar los valores adecuados para el tipo de elemento, de no usarese los resultados del diseño serán incorrectos.

Tipo de acero ASTM

Aplica

Ángulos, soleras, algunos perfiles IR, placa, canales Placa, A572 Gr 50 3515 4570 Perfiles cuadrado y redondos HSS A500 Gr B 3230 4080 Perfiles rolados en frio tipo monte, calidad A569 2100 3400 comercial 5.1cm %30 Perfiles rolados en frio tipo monte, alta A570 3500 5000 resistencia 5.1cm %20 Perfiles laminados en caliente sección IR A992 3515 4570 Tornillos comunes A307 Gr A 4220 Tornillos de 1 a 1.5 pulgadas de diámetro 7390 A325 Tornillos de 0.5 a 1 pulgadas de diámetro 8440 Tornillos de 0.5 a 1.5 pulgadas de diámetro A490 10550 o Verificar con los distribuidores de acero, la especificación ASTM que le corresponde al material seleccionado para cada uno de los elementos del inmueble. o Los materiales antes citados, son de uso común en el mercado internacional.

A36

2530

4080

Las condiciones de frontera en los extremos y a lo largo de un elemento deberán ser interpretadas como riostras las cuales modifican la longitud efectiva del elemento y su estabilidad ante la acción de una carga. Una conexión tiene por objeto trasmitir las fuerzas de un elemento a otro. Por el tipo de conexión parcialmente restringida (CPR) o totalmente restringida (CTR), se seleccionan la fuerzas que por ella se trasportan, axial, cortante, flexión y/o torsión. En los marcos rígidos aquí definidos, la base de las columnas es una conexión de trasmite fuerzas axiales y de cortante. Las conexiones que unen las columnas con las trabes son CTR. Las diagonales, puntales, largueros, y piezas chicas son CPR. Cada una de ellas deberá ser analizada en función de las fuerzas que deba trasportar, así como la continuidad y estabilidad de las piezas. Usualmente se utilizan diagramas de cuerpo libre, en los cuales se esquematizan las fuerzas externas, su posición y las condiciones de frontera. El siguiente paso es esquematizar la geometría y los elementos de conexión como; placas y/o secciones, tornillos y soldaduras. Se calcula las fuerzas internas en cada uno de los elementos y su resistencia.

Arriostramiento y estabilidad local de los elementos de un marco rígido. El análisis considera la aplicación homogénea y perfecta de las cargas en dos planos ortogonales. El sistema estructural esta divido en dos tipos. La capacidad a la flexión de los elementos de un marco está asociada a la estabilidad lateral en el plano transversal. El sistema longitudinal de armaduras, presenta elementos en tensión y los elementos en compresión como los puntales comúnmente secciones compactas (ref. 16). La flexión por torsión lateral, es el estado límite que controla la resistencia de las trabes y columnas, se presenta en tres formas: •

Pandeo local del patín en compresión.

• •

Pandeo local del alma en compresión por flexión. Torsión lateral.

Al reducir la longitud de arriostramiento lateral se incrementa la resistencia por flexión de una sección. Las trabes de un marco rígido, cuyas condiciones de frontera son las columnas, la longitud efectiva por flexión en el plano es su propio largo, sin embargo fuera del plano el patín superior esta ligado a los largueros de cubierta, reduciendo su longitud no arriostrada. En los extremos por la distribución de los elementos mecánicos (cargas verticales), los patines inferiores están sujetos a compresión y deberán ser soportados lateralmente, utilizando diagonales a los largueros de cubierta. Esto mismo deberá ser verificado ante los diferentes campos y combinaciones de cargas, los cuales cambian la forma del diagrama de elementos mecánicos. En las columnas un análisis similar deberá ser realizado para la colocación de riostras al patín interior, considerando que en todo momento están sometidas a carga axial de compresión.

Arriostramiento lateral de largueros. Los largueros de cubierta considerados en este trabajo, son perfiles formados en frio denominados monten. Existen en el mercado dos formas principales en canal y Z. Están formados de placa de acero cuyo espesor es de calibre 10 a 14 y dos especificaciones de materiales ASTM A569 y A570 principalmente. Son elementos cuya relación peraltados/ ancho en un valor alto, se apoyan en los marcos principales para trasmitir las cargas aplicadas en la lámina de cubierta. De un claro o múltiples crujías sus diagramas de elementos mecánicos son muy simples en función de los campos de carga y sus combinaciones. La lámina de cubierta puede considerarse como un elemento de arriostramiento, si y sólo si el sistema de fijación es adecuado y ante cargas verticales más del 70% de patín superior del larguero esta en compresión. Sin embargo la acción del viento en forma de succión invierte los diagramas, requiriendo que el patín inferior deberá ser arriostrado. Este tipo de riostras se denomina comúnmente contraflambeo, sag-rod, sag-angles o simplemente riostras de cubierta y solo trabajan a la tensión Si la lámina de cubierta se sujeta adecuadamente a los largueros, estas riostras se instalan del patín inferior al patín superior del larguero contiguo. En caso contrario las riostras deberán garantizar el adecuado comportamiento de ambos patines. El American Iron and Steel Institute (AISI), ha realizado trabajos importantes en este tema y realizan recomendaciones de mucho valor.

b) Figura 18. Riostras del patín inferior.

Definida la carga resistente de cada uno de los elementos en función de sus materiales y condiciones de frontera, al ser relacionada con las fuerzas actuantes (elementos mecánicos) producto del análisis, su resultado deberá ser menor o igual a la unidad. 1 De lo contrario deberán hacerse ajustes a las propiedades mecánicas de las secciones, esfuerzo de los materiales o a las condiciones de frontera.

Geometría Secciones Dimensiones Propiedades mecánicas

Materiales

Condiciones de frontera Longitud de arriostramiento lateral

Detallado, fabricación y montaje de una nave industrial. Definido el proyecto estructural para la construcción de un inmueble industrial, el fabricante deberá realizar las siguientes etapas: Planos de taller: elaboración a detalle de cada una de las piezas que forman el inmueble. Se identificarán obstrucciones e interferencias, cuya solución deberá ser responsabilidad conjunta de quien diseño la estructura, el fabricante, el propietario y el responsable ante las autoridades. El dibujo deberá contener todas las dimensiones, barrenos y posiciones de cada elemento individual (elementos: placas ó secciones individuales, piezas: es la suma de varios elementos y forman las columnas, trabes, largueros, etc.), en las piezas las dimensiones, barrenos y posición de los elementos, así como las listas de materiales. Planos de montaje: son los dibujos que indican la ubicación en el inmueble de cada una de las piezas. En ellos se deberá definir una secuencia de montaje y las especificaciones necesarias en campo para realizar las actividades; proceso de apretado de tornillo, aplicación de soldadura en campo, soportes provisionales para montaje, etc.

Figura 19. Planos de montaje.

Figura 20. Planos de taller. Compra de material: actualmente en el mercado se encuentran disponibles los materiales en sus diversas presentaciones. Es muy importante durante la compra especificar la calidad y dimensiones que se desea comprar. En el caso dado que uno o varios materiales solicitados no sean localizados en el mercado, deberán realizarse ajustes al proyecto estructural con las autorizaciones correspondientes.

Fabricación: una vez definido el total de los elementos y piezas así como realizada la compra de la materia prima, se inicia la fabricación la cual en lo general se divide en cinco procesos: • Habilitado: consiste en realizar el trazo, corte y barrenado de todos los elementos. El armado o unión de los elementos para presentación de piezas, utilizando soldadura provisional. Verificar la geometría, medidas y posición de los elementos en las piezas. La experiencia del taller definirá la secuencia que represente la calidad y el número de pasos a seguir para concluir este proceso. • Soldado: es la fijación definitiva de los elementos en la pieza, con la aplicación del tipo de soldadura especificada en planos. Deberá tenerse especial cuidado con las especificaciones de aplicación de soldadura definidas por el AWS5. Otro aspecto muy importante a considerar en el soldado, son las deformaciones por calor, controladas por la experiencia del taller. • Detallado: inicia con la supervisión interna, se revisa que las piezas estén completas en el tipo y número de elementos que la integran, que la soldadura sea correcta en sus especificaciones de proyecto y normativas, revisión de las deformaciones por calor no excedan los límites establecidos, retirar elementos provisionales. • Limpiezas y pintura: consiste en retirar la escoria o excedentes de soldaduras, ello se realiza con cincel, martillo y esmeril. Retirar el oxido sobre la superficie del elemento preparándola para la aplicación de la pintura. La pintura aplicada puede tener especificaciones particulares definidas en el proyecto y como mínimo recomendamos pintura anticorrosiva según las especificaciones del Código de Practicas Generales del IMCA. • Identificación de piezas: esta actividad se ha realizado desde el habilitado, sin embargo podría perder la marca inicial, la cual al final del proceso deberá ser identificada adecuadamente. Con ello concluye la fabricación, dando inicio a dos últimas actividades el trasporte y montaje. •

•

Transporte: es importante sean embarcadas la piezas en el orden definido el planos de montaje, cada uno de los embarques deberá contar con una relación de piezas y su peso. Se realizara el estibado en el vehículo con la ayuda de protecciones que eviten el daño y deformación en las piezas. Montaje: en cada inmueble se deberá definir una secuencia de montaje en función de la estabilidad y elementos provisionales de las piezas a montar. se deberán utilizas equipos como grúas o plumas adecuados para la condiciones del lugar. La mano de obra deberá ser especializada así como la herramienta adecuada. Como parte del montaje se realizará una revisión total de los tornillos y su apriete, pruebas de muestras definidas de la soldadura aplicada en campo y el retoque de la pintura defectuosa.

American Welding Society.

Figura 21. Fabricación y montaje.

Recomendaciones. Al inicio de los trabajos de análisis y diseño así como la fabricación de una nave industrial, es muy importante tener una idea clara del sistema estructural adoptado e identificar los puntos más importantes en cada etapa. Materiales: el sistema estructural adoptado, y definido como marcos planos de sección variable, requiere la elaboración de columnas y trabes armadas de placas o perfiles laminados. De tal forma que se podrán utilizar resistencia iguales ó diferentes. Actualmente ambos materiales A36 y A572 GrB, en placa están disponibles así como los perfiles laminados en A992. El productor y distribuidor del material deberá otorgar los certificados correspondientes a la especificación del acero utilizado en cada sección o placas. Modelo analítico: en la actualidad existen una gran variedad de programas de análisis en tres dimensiones, los cuales permiten exponer en una realidad virtual el inmueble. Sin embargo requieren de una gran habilidad para ser utilizados y obtener resultados coherentes. Un ejemplo muy claro son las diagonales de cubierta sometidas a compresión, lo cual físicamente no es posible. Dentro de estos programas exististe modelos analíticos que replantean el correcto comportamiento de cables, riostras atiezadores etc., utilizarlos requiere de una formación particular y mucho más tiempo para realizar el modelo y comprobar sus resultados. Al incrementar el número de elementos dentro del análisis requiere mucho más tiempo para su revisión y no hay que olvidar que en este tipo de estructuras las piezas o elementos se repiten constantemente. Un modelo en dos dimensiones, es mucho más fácil de realizar y sus resultados son más simples de interpretar. El comportamiento mecánico de una nave es muy sencillo y su análisis se puede hacer con modelos bidimensionales independientes. Los marcos transversales o marcos rígidos, son el primer modelo a elaborar. Las diagonales de cubierta y fachadas son el segundo. El tercero podrán ser los largueros de cubierta y por últimos los largueros de fachadas. Con la ayuda de diagramas de cuerpo libre se podrá realizar el diseño de las piezas chicas y conexiones. Al tipificar la estructura, el diseño de una unidad tanto mecánico como estético nos permite aprovechar la relación sinergética entre los tipos de sistemas estructurales. Para ello

requerimos un amplio conocimiento de ellos en especial de su comportamiento de transmisión de fuerzas y deformaciones ante diferentes cargas. Las geometrías y secciones de los elementos que forman una nave industrial, son el resultado de la lógica de la mecánica de fuerzas. Diseño: es muy importante considerar los elementos de arriostramiento lateral, quienes cambian la longitud de diseño de la pieza y su resistencia. Así como definen sus deformaciones en conjunto y locales. El incrementar este tipo de riostras incrementara la redundancia de sistema y el buen comportamiento de cada elemento. Planos y detalles: es aquí donde recomendamos aplicar más tiempo de trabajo, ya que en la mayoría de los casos el proyecto estructural cuenta con detalles tipo los cuales solo aplican algunas veces y los casos particulares no se realizan. En los planos del proyecto estructural, deberán exponerse las dimensiones y especificaciones de materiales de cada uno de las secciones utilizadas. No dejando en una incógnita algún valor que representara un resultado en el análisis y diseño completamente diferentes. Es muy importante definir e identificar las dimensiones teóricas de las secciones de cada elemento, así como su material. Un proyecto que ha detallado las conexiones generales y particulares permite desarrollar los planos de taller sin la necesidad de aplicar soluciones no consideradas por el diseñador. Planos de fabricación: deberán exponer toda la información a detalles requerida para la fabricación de cada una de las piezas. En cada uno de los planos deberá colocarse una tabla de valores de los elementos que forma una pieza, su peso individual y en grupo. Un plano en el cual se exponga una tabla con el peso de cada uno de los elementos o el peso contenido en cada plano de las piezas, simplifica los trabajos de estimación y programación. Fabricación: desde la adquisición del material, el definir los procesos de fabricación, corte, armado y soldado, seguido del embarque para terminar con el montaje, son responsabilidad del fabricante. Sin embargo es muy importante que el diseñador tenga pleno conocimiento de estas actividades y así considera las incertidumbres en el diseño. Montaje: debido a la esbeltez de los elementos que forma la estructura de una nave, el montaje se aproxima a los límites de las posibilidades de su ejecución. Lo cual requiere utilizar elementos temporales y así garantizar la integridad de la estructura. Una estructura que presente deformaciones debidas a un mal trabajo de montaje no cumplirá con los estados limite de servicios definidos en los códigos. Su reparación comúnmente es muy complicada y costosa. Una nave industrial está formada por: estructura principal, elementos secundarios y recubrimiento. Cada uno de ellos aislado están unidos (conexiones) de tal forma que se cumplan los estos limite de falla y servicio. El sistema principal recibe a los elementos secundarios con una serie de conexiones de liga, así como los largueros reciben la lámina de cubierta y fachadas. Esta última es una membrana muy delgada que tiene una rigidez en su propio plano que deberá ser similar a la estructura principal y secundaria ligada a ellos por los elementos de fijación.

Referencias. 1. A. CHOPRA, Dynamics of Structures, Theory and applications to earthquake Engineering. Prentice Hall. NJ 1995. 2. A. C. WALKER. Design and analysis of cold formed sections. First publication. London: International Textbook Company, 1975. 154p. ISBN0-7002-0231-5. 3. A. NEWMAN, Metal Building Systems, design and specifications. New York: McGraw-Hill, 1997. 389p. ISBN 0-07-046379-4. 4. SEI6. Minimum Design Loads for Buildings and other structures. USA: ASCE7, 2006. 5. AISC8. Steel Construction Manual. Thirteenth edition. Chicago; AISC, 2005. 6. AWS9. Structural Welding Code-Steel, AWS D1.1/D1.1M:2006. 7. AWS, Welding Handbook, Welding Science & technology. Vol 1 ninth edition. FL 2006. 8. C.F.E.10 (Ed), Manuel de Diseño de Obras Civiles, Diseño por Sismo, México: Inst. de Invest. Eléctricas, 1993. 9. C.F.E. (Ed), Manuel de Diseño de Obras Civiles, Diseño por Viento, México: Inst. de Invest. Eléctricas, 1993. 10. E. WILSON. Three Dimensional Static and Dynamic Análisis of Structures, a physical approach with emphasis on earthquake engineering. CSI 2001. 11. Gaceta Oficial del Departamento del DF, Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, 2004. 12. Gaceta Oficial del Departamento del DF, N.T.C.11, Criterios y acciones para el diseño estructural de las edificaciones, Centro de Actualización Profesional, Distrito Federal, Mx. 2004. 13. G. HANCOCK, T. MURRAY & D. ELLIFRITT. Cold-formed steel structures to the AISI specification. 1ft edition. USA: Marcel Dekker, 2001. ISBN: 0-8247-9294-7. 14. G. LEE, R. KETTER & T. HSU, The design of Single Story Rigid Frames. Ohio: 1981. 267p. 6

Structural Engineering Institute. American Society of Civil Engineers. 8 American Institute of Steel Construction. 9 American Weilding Society. 10 Comisión Federal de Electricidad. 11 Normas Técnicas Complementarias. 7

15. G. SALMON, E. JOHNSON, Steel Structures, design behavior, 4ta edition. New Jersey: Prentice Hall, 1996. 1024p. ISBN 0-673-99786. 16. IMCA12. Manual de construcción en acero. 2da edición. México: Limusa, 1990. 1 vol., 236p. ISBN 968-18-3586-7. 17. International Building Code. USA. IBC, 2007. ISBN-10:1-58001-302-3. 18. J. DeWOLF & D. RICKER. Column base plate. 1ft edition. Chicago: AISC 1990. 19. J. MESEGUER, A. SANZ, J.M. PERALES & S. PINADADO, Aerodinámica Civil, cargas de viento en las edificaciones. 1era edición. España: McGraw-Hill, 2001. 270p. ISBN 84-481-3332-3. 20. M. BRUNEAU, C. UANG & A. WHITTAKER. Ductile Design of Steel Structures. Mc Graw Hill. NY1998. 21. O. BLODGETT. Design of welded structures. 1ft edition. Ohio: Lincoln arc welding foundation, 1966. 22. O. de BUEN L. Estructuras de Acero. edition, México, 1989. Limusa. 23. P. BORESI & J. SCHMIDT. Advanced mechanics of Materials. Wiley 2003. pp 681. 24. SEES13, ETABS V8 Integrated Building Design Software User Interface Reference Manual, Computers and Structures Inc, Berkeley California USA, 2002. 25. SEES, ETABS V8 Integrated Building Design Software Steel Frame Design Manual, Computers and Structures Inc, Berkeley California USA, 2002. 26. T. GALAMBOS, Stability design criteria for metal structures, 5th edition. New York: John Wiley & Sons, 1998. 27. T. MURRAY & E. SUMMER. Extended End-Plate, Moment connections. 2nd edition. Chicago: AISC 2003. 28. WEI-WEN YU. Cold formed steel design. 2da edition. New York: John Wiley & Sons, 1991. 631p. ISBN 0-471-61970-1.

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Instituto Mexicano de la Construcción en Acero. Structural and Earthquake Engineering Software.