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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA AMÉRICA(UNITA)
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LAESTRUCTURA METÁLICA PARA EL BAR DE
LA FACULTAD DE MECÁNICA
Proyecto profesional de grado previoa la obtención del Título de IngenieroMecánico: Especialidad MecánicaIndustrial
Autor: Wilson Geovanny Castillo Benítez
Asesor: Ing. Patricio Riofrío
Quito, Marzo del 2006
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CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente Proyecto Profesional de Grado titulado “ESTRUCTURA
METÁLICA PARA EL BAR DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA”, es
un trabajo realizado en forma íntegra y detallada por el Egresado de la Facultad de
Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica América, el señor Wilson
Geovanny Castillo Benítez, de acuerdo a mi direccionamiento.
Quito, 17 de Enero de 2006
Ing. Mec. Patricio Riofrío
L:P: 04-17841 CIMEPI
Profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica
Director del Proyecto
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DEDICATORIA
A mi Padre cuyo ejemplo ha sido sumejor enseñanza.A mi Madre que con su ayuda espiritualme inspiro a seguir a delante.A mi Esposa e Hija por su cariño yapoyo.
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AGRADECIMIENTO
A todas las personas que han contribuido ami formación profesional, y en forma especialal Ing. Patricio Riofrío por su desinteresadaayuda en la elaboración de este trabajo.
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VI
ÍNDICE
CAPÍTULO I
ESTRUCTURAS METÁLICAS
1.1 Introducción……………………………………………………………………...1
1.2 Proceso de Diseño……………………………………………………………. 1
1.2.1 Planeación Funcional………………………………………………………… 2
1.2.2 Arreglo Estructural…………………………………………………………….. 5
Replantillo……………………………………………………………………… 6
Cimentación (Plintos)…………………………………..…………………….. 7
Anclaje de Poste………………………………………………………………. 8 1.2.3 Análisis Estructural……………………………………………………………. 9
1.2.4 Diseño de los Miembros y Elementos…………………………………….. 10
1.3 El Acero Estructural…………………………………………………………. 10
a) Ventajas del Acero Estructural…………………………………………….. 13
b) Desventajas del Acero Estructural………………………………………… 15
1.3.1 Perfiles Estructurales……………………………………………………….. 16
1.3.1.1 Perfiles Laminados en Caliente……………………………………………. 16
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VII
1.3.1.2 Perfiles Laminados en Frío…………………………………………………. 18
1.3.1.3 Tipos de Perfiles a Utilizar………………………………………………….. 20
a) Perfil “G”................................................................................................ 21
b) Perfil “L”……………………………………………………………………… 21
c) Perfil “C”……………………………………………………………………… 21
d) Perfil “I”………………………………………………………………………. 22
1.4 Cubiertas……………………………………………………………………... 22
1.4.1 Elementos de una Cubierta………………………………………………… 231.4.2 Techos………………………………………………………………………... 25
a) Asbesto – Cemento………………………………………………………… . 25
b) Panel de Acero………………………………………………………………. 26
1.4.3 Estructuras para Cubiertas…………………………………………………. 27
1.4.3 1 Columnas y Armaduras…………………………………………………….. 27
1.4.3.2 Columnas y Vigas…………………………………………………………... 29
a) Columnas…………………………………………………………………….. 29
c) Vigas…………………………………………………………………………. 29
1.4.3.3 Marcos Rígidos……………………………………………………………… 30
1.5 Principales Tipos de Estructuras Utilizadas……………………………… 32
a) Tipo I…………………………………………………………………………. 32
b) Tipo II………………………………………………………………………… 33
c) Tipo III………………………………………………………………………... 34
d) Tipo IV……………………………………………………………………….. 35
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VIII
1.6 Análisis de Alternativas…………………………………………………….. 36
a) Alternativa I.......................................................................................... 37
b) Alternativa II…………………………………………………………………. 37
c) Alternativa III………………………………………………………………… 38
1.7 Selección del Tipo de Estructura para el Proyecto……………………… 38
1.7.1 Criterio Económico………………………………………………………….. 40
1.7.2 Criterio Estético……………………………………………………………… 42
1.7.3 Criterio del Cliente…………………………………………………………… 42
CAPÍTULO II
ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA
2.1 Introducción…………………………………………………………………..44
2.2 Análisis y diseño preliminar…………………………………………………45
2.2.1 Cargas sobre la estructura………………………………………………….46
2.2.1.1 Cargas muertas………………………………………………………………46
Peso de la cubierta………………………………………………………….46
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IX
Peso del pórtico……………………………………………………………..48
Peso de las correas…………………………………………………………49
Peso de instalaciones………………………………………………………50
2.2.1.2 Cargas vivas…………………………………………………………………51
Carga mínima viva………………………………………………………….51
Cargas de viento……………………………………………………………52
Carga de granizo……………………………………………………………54
Carga de ceniza……………………………………………………………..54 Carga sísmica………………………………………………..……………...55
2.2.2 Cálculo de reacciones, momentos, axiales y cortantes…………… 57
Perfil utilizado……………………………………………………………….. 59
2.2.2.1 Carga muerta vertical uniformemente repartida………………………… 61
Carga muerta –análisis…………………………………………………….. 62
2.2.2.2 Carga viva vertical uniformemente repartida……………………………64
Carga viva – análisis…………………………………………………………65
2.2.2.3 Carga horizontal de viento uniformemente repartida…………………….67
Carga de viento - análisis………………………………………………….68
2.2.2.4 Combinación de cargas……………………………………………………..70
Combinación de cargas – análisis…………………………………………71
2.2.3 Diseño preliminar de la columna y viga……………………………………73
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X
2.2.3.1 Columna…………………….………………………………………………..73
2.2.3.2 Viga……….……….………………………………………………………….78
2.3 Análisis y diseño definitivo…………………………………………………..81
2.3.1 Calculo del momento de inercia medio de la viga………………………. 84
2.3.2 Cargas…………………………………………………………………………85
1.3.3 Reacciones, cortantes, axiales y momentos…………………………….87
2.3.3.1 Análisis de cargas vertical del pórtico.
Carga muerta…………………..……………………………………………..88
2.3.3.2 Análisis de cargas vertical del pórtico.
Carga Viva…………………………………………………………………….90
2.3.3.3 Análisis de carga horizontal en la cubierta
Carga de viento ……………………………………………………………...92
2.3.3.4 Análisis de combinación de cargas
Combinación de cargas …………………………………………………….94
2.3.4 Diseño del pórtico……………………………………………………………96 2.3.4.1 Diseño de la columna………………………………………………..………97
2.3.4.2 Longitudes no arriostradas………………………………………….……..98
2.3.4.3 Longitudes efectivas………………………………………………………. 98
2.3.4.4 Esfuerzos permisibles a compresión…………………………………….. 99
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XI
2.3.4.5 Esfuerzos permisibles a flexión fb……………………………………...105
2.3.4.6 Diseño a flexión y compresión del patín………………………………...109
2.3.4.7 Esfuerzos permisibles al cortante en el alma fv……………………...113
2.3.5 Diseño de la viga del pórtico……………………………………………...117
2.3.5.1 Longitudes no arriostradas para la viga………………………………...118
2.3.5.2 Esfuerzos permisibles a compresión…………………………………….119
2.3.5.3 Esfuerzo permisible a flexión fb…………………………………………121
2.3.5.4 Diseño a flexión – compresión del patín………………………………..123 2.3.5.5 Esfuerzos permisibles al cortante en el alma fv……………………...126
2.3.6 Diseño de los atiesadores de apoyo…………………………………….129
2.3.7 Diseño de la placa base de las columnas………………………………131
2.3.8 Diseño de largueros……………………………………………………….136
2.3.8.1 Determinación de cargas………………………………………………….137
2.3.9 Uniones soldadas………………………………………………………….140
2.3.9.1 Columna a placa base…………………………………………………….140
2.3.9.2 Unión de la placa a las varillas de anclaje………………………………142
2.3.9.3 Juntas patín – patín……………………………………………………… 145
2.3.9.4 Juntas alma - alma……………………………………………………….147
2.3.9.5 Juntas patín - alma………………………………………………………..148
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XII
CAPÍTULO III
FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LAESTRUCTURA
3.1 Introducción……………………………………………………………………151
3.2 Flujo-grama general de la fabricación y montaje de la estructura………152
3.3 Fabricación…………………………………………………………………….154
3.3.1 Trazado………………………………………………………………………...154
3.3.2 Proceso de corte……………………………………………………………..155
3.3.3 Armado…………………………………………………………………………156
3.3.4 Pintura………………………………………………………………………….157
3.4 Montaje…………………………………………………………………………158
Conclusiones……………………………………………………………..……………..160
Recomendaciones…………………………………………………………...…………162
Bibliografía………………………………………………………………………………164
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XIII
ÍNDICE DE TABLAS
CAPÍTULO I
Tabla 1.2 Aceros para Propósitos Estructurales………………………………… 12
Tabla 1.2 Normas de Fabricación para Perfiles Estructurales…………………. 12
Tabla 1.3 Costos de Estructuras…………………………………………………… 41
Tabla 1.4 Análisis de Alternativas…………………………………………………. 43
CAPÍTULO II
Tabla 2.1 Total de cargas muertas………………………………………………...51
Tabla 2.2 Total de cargas vivas..…………………………………………………. 56
Tabla 2.3 Valores de x y z …………………………………………………….. 58
Tabla 2.4 Dimensiones y propiedades del perfil………………………………... 59
Tabla 2.5 Valores con carga muerta……………………………………………... 63
Tabla 2.6 Valores con carga viva………………………………………………… 66
Tabla 2.7 Valores con carga de viento…………………………………………... 69
Tabla 2.8 Valores para combinación de cargas………………………………… 72
Tabla 2.9 Dimensiones y propiedades del diseño definitivo………………….. 82
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XIV
Tabla 2.10 Dimensiones y propiedades de la viga media sección G – G……...85
Tabla 2.11 Valores con carga muerta…………………………………………….. 89
Tabla 2.12 Valores con carga viva………………………………………………... 91
Tabla 2.13 Valores con carga de viento………………………………………….. 93
Tabla 2.14 Valores para combinación de cargas………………………………. 95
Tabla 2.15 Cargas, dimensiones y propiedades de la columna………………. 97
Tabla 2.16 Cargas, dimensiones y propiedades de la viga………………...… 118
Tabla 2.17 Relación de esbeltez….………………………………………………120
Tabla 2.18 Valores de esfuerzos permisibles a compresión………………… 120 Tabla 2.19 Valores (d/t)…………………………………………………….... 123
Tabla 2.20 Relación fa/fa………………………………………………………. 124
Tabla 2.21 Relación fb/fb……………………………………………………… 125
Tabla 2.22 Usando la relación fa/fa + fb/fb < 1……………………………… 125
Tabla 2.23 Valores de esfuerzos permisibles al cortante fv ………………..127
Tabla 2.24 Valores del cortante promedio fv < fv…………………... 127
Tabla 2.25 fv < fv……………………………………………………………… 128
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XV
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO I
Fig. 1.1 Distribución de Área………………………………………………………… 4
Fig. 1.2 Replantillo…………………………………………………………………….. 6
Fig. 1.3 Cimentación (Plinto)………………………………………………………… 7
Fig. 1.4 Anclaje de Poste…………………………………………………………….. 8
Fig. 1.5 Perfiles Laminados en Caliente…………………………………………... 18
Fig. 1.6 Perfiles Laminados en Frío……………………………………………….. 20
Fig. 1.7 Elementos de Cubierta……………………………………………………. 23
Fig. 1.8 Tipos de Techos (Asbesto - Cemento)………………………………….. 25
Fig. 1.9 Tipos de Techos (Acero Inoxidable)……………………………………... 26
Fig. 1.10 Tipos de Armaduras……………………………………………………….. 28
Fig. 1.11 Tipos de Vigas y Columnas…………………………………………….. 30
Fig. 1.12 Tipos de Marcos Rígidos………………………………………………….. 31
Fig. 1.13 Estructura en Celosía a dos aguas y parabólica……………………….. 33
Fig. 1.14 Estructura en Alma llena a dos aguas y parabólica……………………. 34
Fig. 1.15 Estructura con Perfiles Armados a dos aguas………………………….. 35
Fig. 1.16 Estructura en Celosía con Tubo Estructural Redondo Parabólico…… 35
Fig. 1.17 Estructura de Alma llena de una sola caída…………………………….. 36
Fig. 1.18 Estructura Parabólica con tubo redondo………………………………… 39
Fig. 1.19 Escala de valoración de alternativas……………..……………………… 43
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XVI
CAPÍTULO II
Fig. 2.1 Nomenclatura del Pórtico………………………………………………….45
Fig. 2.2 Distribución de secciones………………………………………………….58
Fig. 2.3 Nomenclatura para la sección del pórtico en Prediseño……………….59
Fig. 2.4 Esquema del pórtico mediante el perfil I………………………………...60
Fig. 2.5 Carga Muerta……………………………………………………………….61
Fig. 2.6 Diagrama de Carga Axial………………………………………………… 62
Fig. 2.7 Diagrama de Fuerzas Cortantes…………………………………………. 62
Fig. 2.8 Diagrama de Momentos………………………………………………….. 63
Fig. 2.9 Carga Viva……………………………………...…………………………..64
Fig. 2.10 Diagrama de Carga Axial…………………………………………………65
Fig. 2.11 Diagrama de Fuerzas Cortantes…………………………………………65
Fig. 2.12 Diagrama de Momentos………………………………………………….66
Fig. 2.13 Carga de Viento……………………………………………………………67
Fig. 2.14 Diagrama de Carga Axial…………………………………………………68
Fig. 2.15 Diagrama de Fuerzas Cortantes…………………………………………68
Fig. 2.16 Diagrama de Momentos…………………………………………………..69
Fig. 2.17 Combinación de Cargas…………………………………………………..70
Fig. 2.18 Diagrama de Cargas Axiales……………………………………………..71
Fig. 2.19 Diagrama de Fuerzas Cortantes…………………………………………71
Fig. 2.20 Diagrama de Momentos…………………………………………………..72
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XVII
Fig. 2.21 Sección para el pórtico……………………………..……………………..83
Fig. 2.22 Dimensiones de la estructura.……………………………………………83
Fig. 2.23 Referencia para el momento de inercia medio de la viga……………..84
Fig. 2.24 Reacción de Carga Muerta……………………………………………….87
Fig. 2.25 Reacción de Carga Viva…………………………………………………..87
Fig. 2.26 Reacción de Carga de Viento…………………………………………….87
Fig. 2.27 Diagrama de Carga Axial…………………………………………………88
Fig. 2.28 Diagrama de Fuerza Cortante……………………………………………88
Fig. 2.29 Diagrama de Momentos…………………………………………………..89 Fig. 2.30 Diagrama de Carga Axial…………………………………………………90
Fig. 2.31 Diagrama de Fuerza Cortante……………………………………………90
Fig. 2.32 Diagrama de Momentos………………………………………………… ..91
Fig. 2.33 Diagrama de Carga Axial…………………………………………………92
Fig. 2.34 Diagrama de Fuerza Cortante……………………………………………92
Fig. 2.35 Diagrama de Momentos…………………………………………………..93
Fig. 2.36 Diagrama de Carga Axial…………………………………………………94
Fig. 2.37 Diagrama de Esfuerzo Cortante………………………………………….94
Fig. 2.38 Diagrama de Momentos…………………………………………………..95
Fig. 2.39 Columna metálica………………………………………………………….97
Fig. 2.40 Viga metálica……………………………………………………………...117
Fig. 2.41 Posición y dimensión de los atiesadores………………………………129
Fig. 2.42 Nomenclatura de la placa base…………………………………………131
Fig. 2.43 Esquema del larguero……………………………………………………136
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XVIII
Fig. 2.44 Esquema del diagrama de momento para una viga continúa sobre tres
apoyos……………………………………………………………………..138
Fig. 2.45 Ubicación del perfil en la placa base y varillas………………………..144
Fig. 2.46 Esquema de la soldadura de las varillas a la placa base……………144
Fig. 2.47 Esquema de la soldadura de las juntas patín – patín………………..145
Fig. 2.48 Junta alma – alma……………………………………………………….147
Fig. 2.49 Junta patín – alma ……………………………………………………….148
CAPÍTULO III
Fig. 3.1 Junta patín – alma ……………………………………………………….154
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CAPÍTULO I
ESTRUCTURAS METÁLICAS
1.1 INTRODUCCIÓN
La Universidad Tecnológica América está ubicada en el sector de San Blas en
la calle Oriente 536 y Guayaquil, se requiere la construcción de una estructurametálica para el bar de la Facultad de Ingeniería Mecánica, el mismo que ya
dispone de un área determinada para el proyecto.
En este capítulo se trata brevemente aspectos básicos para el proyecto.
Se revisarán los pasos a seguir para llegar al diseño satisfactorio, luego se
trata el acero como material estructural, posteriormente los tipos de estructuras
que se usan para este tipo de construcciones y finalmente se decidirá que tipo
de estructura se elige para la construcción.
1.2 PROCESO DE DISEÑO
El proceso de diseño estructural requiere la aplicación del criterio del Ingeniero
para producir un sistema estructural que satisfaga de manera adecuada las
necesidades del propietario o usuario.
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El diseño es un proceso que parte de una idea y llega a la especificación de la
estructura de manera que logre los propósitos para los que ha sido elaborada.
El proceso de diseño inicia con una planificación funcional para lograr después
un arreglo estructural el cual deberá pasar por un análisis estructural y
culminará con el diseño de los diferentes miembros y elementos.
1.2.1 PLANEACIÓN FUNCIONAL
El propósito que se debe tener en cuenta en la realización de una construcción,
sea ésta, una estructura metálica o de hormigón armado, es la de disponer
correcta y adecuadamente todos los espacios internos y externos de forma que
se aproveche el mayor porcentaje del área disponible para el cumplimiento de
las actividades a la que estará destinada la construcción.
La funcionalidad debe estar enfocada a las actividades ha realizarse por los
clientes para su comodidad y satisfacción. Este aspecto incluye el diseño
estético que va a tener toda infraestructura en su conjunto y parámetros de una
iluminación aceptable y un ambiente confortable.
En el caso del presente proyecto la construcción será destinada al bar, el
mismo que estará situado en el patio posterior de la Facultad de Ingeniería
Mecánica de la Universidad Tecnológica América, en su exterior no está
constituido por paredes, puertas, ventanas y la cubierta; mientras que en el
interior como se trata de un bar se necesita los siguientes espacios: cocina,
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baño y comedor. Además de los espacios se necesita que tenga un ambiente
confortable para la comodidad y satisfacción del usuario.
El espacio que se tiene es de 36 m2 se dispondrá aproximadamente de
11.60m2 para la cocina que esta ubicado en la parte posterior izquierda del bar,
a su derecha se ubicará un baño esquinero con una área aproximada de
2.85m2 y el comedor es el espacio restante del bar que está ubicado en la parte
frontal que es de 21.55m2 es así que se logra el área total para el bar.
El bar consta de los ambientes: la cocina que está conformado por refrigerador,
cocina, horno, lava platos, mesón, etc; el baño se constituye con el inodoro,
lava manos, etc, y el comedor esta constituido por mesas, sillas, etc.
Para lograr un aspecto confortable para la comodidad y satisfacción del
usuario, el bar constará de una iluminación y ventilación natural, logrando un
confort en su interior. Para obtener una adecuada ventilación natural se
requiere al menos de dos aberturas efectivas, las más comunes son: aberturas
en paredes adyacentes y aberturas en paredes opuestas, para favorecer la
circulación del aire en los ambientes interiores. Y para obtener una iluminación
natural adecuada, depende de las proporciones del espacio interior y del
número, tamaño, ubicación y tipo de aberturas por donde penetra la luz solar
que pueden ser por medio de ventanas en las paredes, techo (claraboyas),
patios, etc. La altura influye en la iluminación y ventilación natural ya que si es
más alto favorece un mejor aprovechamiento de su confort, pero en este caso
como se trata de un bar la altura puede ser de 2.40m que permite la suficiente
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luz y ventilación para las actividades normales. En la (Fig. Nº 1.1) se presenta
dos alternativas de distribución de área.
6 m
6m
6 m
6m
Fig. N°1.1 Distribución de área
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1.2.2 ARREGLO ESTRUCTURAL
El arreglo estructural tiene como propósito la discusión y el desarrollo de la
ubicación de sus componentes estructurales dependiendo del tipo de
construcción. En este caso, se utiliza los siguientes elementos y
construcciones.
a) Es necesaria una base para la Estructura Metálica para ésto es necesario:
limpieza, nivelación, replanteo, excavación de plintos y cadenas, fundición de
plintos, encofrado y fundición sobrecimientos, encofrado y realización cadena
de cemento. Dejando así listo los anclajes para poder levantar las columnas,
vigas, largueros y el techo.
b) Los elementos de la estructura metálica que deben ser mencionadas
brevemente como puede ser construcciones mixtas, tales como mampostería -
vigas, columnas - vigas, columnas – armaduras, pórticos y todo lo referente a
su diseño estructural. Este aspecto se tratará con más profundidad al final del
capítulo.
En el arreglo estructural se puede elaborar de antemano un presupuesto,
definiendo tipos y características de materiales a utilizar y de la
correspondiente mano de obra especializada, así como también los salarios
estipulados.
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A continuación se describirá brevemente algunos elementos que intervienen en
la base para la Estructura Metálica.
REPLANTILLO
Es la construcción de la capa de cemento pobre en el fondo de las
excavaciones destinadas a recibir cimientos de concreto.
Antes de iniciar la colocación del hormigón en el plinto, se vaciará sobre el
fondo limpio y nivelado de la excavación una capa de hormigón simple de
50mm, de espesor, cuya superficie debe alcanzar la cota inferior de la
cimentación indicada en los planos. (Fig. Nº 1.2).
Fig . Nº 1.2 Replantillo
Replantillo
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CIMENTACIÓN (PLINTOS)
Se trabajará la piedra por hiladas, debiendo quedar embebidas en el hormigón,
se continuará este procedimiento alterando las capas de hormigón de 100mm
de espesor y las hiladas de piedra. Se utilizará mortero (cemento – arena)
El plinto tiene las siguientes dimensiones: 400 mm de largo, 400 mm de ancho
y 500 mm de profundidad, el replantillo es de 50 mm, la zapata corrida se
encuentra realizada con malla corrugada de 5.5 mm de diámetro con intervalos
de 150x150 mm. (Fig. Nº 1.3)
Fig. Nº 1.3 Cientación (Plinto)
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ANCLAJE DE POSTE
Se utilizará la variante de placa soldada que consiste en fijar al plinto cuatro
chicotes donde se funden con los plintos el cual se apoya la columna mediante
soldadura. (Fig. Nº 1.4)
Fig. N° 1.4 Anclaje de Poste
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1.2.3 ANÁLISIS ESTRUCTURAL
El análisis estructural se basa en el tipo de construcción y en los materiales
usados, siendo necesarios ciertas especificaciones de diseño y reglamentos
de construcción, los mismos que están estandarizados y prescriben
generalmente las cargas y sus magnitudes a las que estará sujeta la
estructura.
En este proyecto como está ubicado en la ciudad de Quito se regirá a las
normas y especificaciones municipales, al Código Ecuatoriano de la
Construcción que establece las cargas y disposiciones básicas para el diseño
de estructuras y al código de la AISC, que establece los esfuerzos permisibles
según las diferentes condiciones de carga y dimensiones de los materiales.
En algunos casos el Ingeniero Mecánico debe tomar decisiones respecto a las
cargas que soporta la estructura y simplificando el análisis estructural para
determinar fuerzas internas que se generan en los miembros que constituye la
estructura.
El análisis Estructural comprende la determinación de las cargas sobre cada
una de los elementos de la estructura: momentos, cortantes y cargas axiales,
pudiendo ser necesario realizar cálculos preliminares basados en dimensiones
y rigideces relativas para posteriormente hacer un análisis que se aproxime a
las dimensiones absolutas de la estructura.
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1.2.4 DISEÑO DE LOS MIEMBROS Y ELEMENTOS
Este último paso se refiere al dimensionamiento y elección que debe realizar el
Ingeniero Mecánico para cada uno de los miembros que componen el sistema
estructural de forma que soporten las fuerzas internas que se generarían en
ellos según las cargas que se estipularon en el proceso anterior. Estos
miembros deben ser capaces de resistir con un factor de seguridad
conveniente, para esto se debe disponer de datos confiables de los fabricantes
de miembros estructurales y conocer las técnicas más comunes de fabricación.
Las cuatro etapas de diseño que se han descrito casi siempre deben
desarrollarse conjuntamente, ya que, todas tienen su grado de importancia
relativa entre sí. [1]
1.3 EL ACERO ESTRUCTURAL
Los avances de metalurgia y fabricación de aceros de altas resistencia que se
desarrollaron durante el período de 1940 – 1950, pronto encontraron su
aplicación en el acero para el diseño de puentes y edificios, los ingenieros
habían estado en búsqueda de aceros más recientes que pudieran soportar
mayores cargas con pesos reducidos, conforme se acumulaba experiencia y a
(1) GAYLORD, E: Diseño de Estructuras Acero , capítulo I, Pág. 22 y 23.
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medida que más diseñadores solicitaban el uso de estos aceros más recientes,
se fueron incorporando a las especificaciones de puentes y edificios.
Por muchas características deseables, los aceros estructurales se utilizaban en
gran variedad de aplicaciones, el acero tiene alta resistencia, tiene un módulo
muy alto, de manera que las deformaciones bajo carga son muy pequeñas, y el
módulo es el mismo en tracción que en compresión. Los aceros estructurales
también tienen alta ductilidad, para esfuerzos relativamente grandes tienen una
relación esfuerzo-deformación unitaria de forma lineal o aproximadamente
lineal, por tanto su comportamiento bajo cargas de trabajo puede predecirse
con exactitud mediante la teoría elástica. Todavía más, los aceros estructurales
se fabrican en condiciones sujetas a estrictos controles, de manera que la
calidad uniforme queda asegurada a los compradores.
A pesar de que existen varios tipos y grados de acero para propósitos
estructurales en las tablas 1.1 y 1.2 que se presentan características técnicas
y propiedades mecánicas del acero ASTM A 36 y del acero A 588 el que
fácilmente se consigue en el medio, sea en perfiles laminados en caliente, en
frío o en planchas para el armado de perfiles por medio de soldadura. [2]
(2) GAYLORD, E: Diseño de Estructuras Acero , capítulo II, Pág. 74 a la 84.
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( ) , , p , g
TABLA 1.1 ACEROS PARA PROPÓSITOS ESTRUCTURALES
DESIGNACION ASTM PRODUCTO USOPerfiles, placas y Construcciones soldadas, remachadas
A 36 soleras de acero al y atornilladas; puentes, edificios, torrescarbón. y proyectos estructurales generales.
A 588 Perfiles, placas y Enfocado principalmente para puentes y
soleras de acero edificios soldados; resistencia a la corro-
de alta resistencia sión atmosférica de cuatro veces la del
y baja aleación acero al carbón, un acero intemperizadoFuente: Gaylord Edwin H. Diseño de Estructuras de Acero. Pág. 75
TABLA 1.2 NORMAS DE FABRICACIÓN PARA PERFILES
ESTRUCTURALES
TIPO NORMA DE Fy Fu OBSERVACIONESFABRICACION (min)
k.s.i k.s.i(Kg/cm2) (Kg/cm2)
Láminas y tiras de acero alPerfiles y ASTM A36 36 58 carbón laminado enplacas (2532) (4086) caliente, de calidad
estructural.Láminas y tiras de acero al
Placas y ASTM A588 36 58 carbón laminado enperfiles 4” (3520) (4920) caliente, de calidad
5” (3230) (4710) estructural.hasta 8” (2950) (4430)
Fuente: Parker Harry, Cálculo de estructuras de acero, Ediciones Urmo, Pág. 3
A continuación se trata brevemente las ventajas y desventajas del acero
estructural
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a) VENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL
Alta resistencia. La alta resistencia del acero, por unidad de peso, significa
que las cargas muertas serán menores. Este hecho es de mucha importancia
en puentes, estructuras de grandes luces, edificio elevados, y en estructuras
cimentadas en condiciones precarias.
Uniformidad. Las propiedades de acero no cambian apreciablemente con el
tiempo, como sucede con las de concreto reforzado.
Elasticidad. El acero está más cerca de la hipótesis de diseño que la mayoría
de los materiales, porque sigue la ley de HOOKE hasta esfuerzos relativamente
altos.
Durabilidad. Las estructuras de acero con un mantenimiento adecuado
pueden durar indefinidamente.
La investigación en algunas estructuras de acero establece, que bajo ciertas
condiciones requieren pintura para su mantenimiento.
Ductilidad. La propiedad del material que permite soportar deformaciones
generales sin fallar, bajo esfuerzos de tensión elevados, se conoce como
ductilidad.
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Cuando un miembro de acero dulce se somete a la prueba de tensión, ocurrirá
una reducción considerable en su área transversal y un fuerte alargamiento, en
lugar de la falla, antes de que la fractura real ocurra.
Un material que no tenga esta propiedad es probablemente duro y quebradizo,
posiblemente se rompa si recibe un choque súbito.
Aplicación de estructura existente. Las estructuras de acero se presentan
con fines de aplicación, tramos nuevos y en muchas ocasiones pueden
añadirse a las estructuras de acero ya existentes, y los puentes de acero a
menudo pueden ampliarse.
Soldabilidad. Es la propiedad del acero para soldarse sin que cambien sus
propiedades mecánicas básicas. En general la soldabilidad decrece con la
mayor cantidad de carbono y el manganeso.
Algunas otras ventajas de acero estructural son:
Adaptación a prefabricación.
Rapidez de montaje.
Tenacidad y resistencia a la fatiga.
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b) DESVENTAJAS DEL ACERO ESTRUCTURAL
En general, el acero tiene las siguientes desventajas:
Costo de mantenimiento. La mayoría de los aceros se corroen cuando están
expuestos libremente al aire y deben pintarse periódicamente.
Costo de protección contra incendio. La resistencia del acero estructural se
reduce notablemente a las temperaturas que se alcanzan durante los
incendios. La estructura de acero de un edificio debe estar a prueba de
incendio a fin de asegurarla con primas bajas. Debe recordarse, sin embargo,
que el acero es incombustible.
Susceptibilidad al pandeo. A medida que los miembros sujetos a compresión
son más largos y delgados, mayor es el peligro de pandeo. Como se indicó
previamente, el acero tiene alta resistencia por unidad de peso, y cuando se
usa para columnas de acero no siempre resulta económico, porque debe
utilizarse una considerable cantidad de material tan sólo para reforzar las
columnas y evitar su pandeo. [3]
(3) McCORMAC, J: Diseño de Estructuras Metálicas , capítulo I, Pág. 1 al 3.
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( ) , , p , g
1.3.1 PERFILES ESTRUCTURALES
Los perfiles de acero como material estructural son de una gran importancia
para el diseñador y constructor de estructuras metálicas. Estos perfiles de
acero se pueden encontrar en el mercado de una diversidad de tipos, pero se
pueden clasificar en general en dos clases: perfiles laminados en caliente y
conformado en frío. [4]
1.3.1.1 PERFILES LAMINADOS EN CALIENTE
El Instituto Americano de la Construcción, AISC, publica periódicamente el
Manual de la Construcción en Acero, el cual contiene la “Especificaciones para
el Diseño, Fabricación y Construcción de Edificios en Acero”, y una recopilación
técnica de los productos para la construcción en acero (perfiles, tubos,
conectores, sueldas), que producen la principales fábricas americanas
productora de acero estructural.
Las fábricas de aceros producen perfiles de sección tipo “I”, denominados (W,
S, y HP). Los perfiles “W” son de patines anchos y superficies paralelas,
utilizados para vigas.
(4) VASQUEZ, J: Estructuras de Acero , capítulo I, Pág. 4 al 7.
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( ) , , p , g
Los perfiles “S”, vigas standard americanas, tienen la superficie interna del
patín con una inclinación del 16%. Los perfiles “HP”, pilotes de carga, tienen
patines de superficies paralelas y espesores iguales del alma y los patines.
Otros tipo de perfiles que se producen son lo canales “C”, lo angulares “L”, de
lados iguales y lados desiguales, perfiles “Z”, y lo tipos de sección circular,
cuadrada y rectangular. Existen además perfiles “M”, (tipo I), que no pueden
ser calificados como “W”, “S” o “HP”, así como perfiles “MC”, (tipo C), que no
son los canales estándar americanos.
La nomenclatura usada para la designación de los perfiles laminados en
caliente consiste de una letra para identificar tipo , seguida por dos o más
números que identifican las dimensiones nominales de peralte, ancho, espesor,
o peso.
Cada perfil de las tablas AISC, tiene listado sus “Propiedades de Diseño” (área
transversal, espesor de patines y alma, inercias, etc.) considerando los
chaflanes más pequeños, y las dimensiones de los detalles basadas en los
chaflanes más grandes con relación a los chaflanes que utilizan las diferentes
fábricas en la producción de los perfiles de acero.
El ingeniero debe disponer de un manual actualizado de perfiles AISC o similar,
pues normalmente para obras de gran envergadura, los perfiles de acero se
importan, o debe realizar consultas sobre que perfiles se comercializan
localmente y establecer si estos satisfacen el requisito de la obra.
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Los perfiles que se encuentran en nuestro país son los IPN, UPN.
Fig. Nº 1.5 Perfiles Laminados en Caliente
Fuente: Parker Harry, Cálculo de estructuras de acero, Ediciones Urmo, Pág. 5
1.3.1.2 PERFILES LAMINADOS EN FRÍO
Para la producción de perfiles laminados en frío se puede disponer de planchas
y láminas de acero moldeable y en varias resistencias. Se produce perfiles para
uso en estructuras sometidas a cargas ligeras con luces medianas y grandes,
como pórticos, cubiertas de coliseos, piscinas, hangares, fábrica y talleres.
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El Instituto Americano del Hierro y Acero, AISI, desde 1939 ha desarrollado
procedimientos y datos para el diseño estructural con aceros de calibre ligero y
perfiles de lámina delgada formado en frío, utilizando plancha de acero de baja
aleación de carbono y no mayor de una pulgada de espesor. Estos perfiles
cumplen con los principios clásicos de la mecánica estructural y los que se
aplican a perfiles y placas de acero estructural laminados en caliente, pero se
deben tener muy en cuenta la distorsión de la sección por pandeo o alabeo, la
resistencia de post-pandeo y otros efectos similares. Se los utilizará para
soportar carga en estructuras con una apropiada estabilidad para efectos
dinámicos.
Los perfiles de acero formado en frío que se producen en rodillos o dobladoras
a partir de las chapas de acero, son estandarizados, (a diferencia de los
perfiles laminados en caliente), más aún, el calculista puede utilizar formas
especiales en sus diseños. Los canales, (secciones U y G), lo ángulos y las
secciones “Z”, se laminan en una sola operación a partir de una pieza del
material. Las secciones “I”, se obtienen soldando dos canales espalda a
espalda, o soldando dos angulares a un canal. Todas las secciones se pueden
rigidizar mediante patines planos o rebordes en las orillas exteriores.
Para la denominación de estos perfiles se utiliza una letra para identificar el tipo
de perfil, seguida por números para señalar sus dimensiones que normalmente
se dan en milímetros.
En el país se producen perfiles formados en frío que varían de 5 a 30cm de
peralte, pueden soportar cargas considerables y se usan como miembros
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estructurales principales en edificios de hasta seis pisos, y en cerchas de
cubiertas o puntes.
Fig. Nº 1.6 Perfiles Laminados en Frío.
Fuente: Parker Harry, Cálculo de estructuras de acero, Ediciones Urmo, Pág. 6
1.3.1.3 TIPOS DE PERFILES A UTILIZAR
Existen varias formas de perfiles que se pueden utilizar para una estructura
metálica. Pero citaremos los que normalmente existen en el mercado nacional
y sea conveniente para el proyecto.
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a) PERFIL “G”
Son perfiles utilizados para la elaboración de vigas y columnas compuestas y
se utiliza también para largueros en la parte superior de la cubierta ya que su
forma facilita realizar el anclaje de techos como es el aluminio, galvanizado,
asbesto y plástico, que se encuentra en el mercado, conformado en frío desde
60x30x15x2 mm hasta 200x50x15x4 mm de espesor.
b) PERFIL “L”
Estos perfiles angulares son de dos tipos: lados iguales y lados desiguales que
son utilizados en vigas y columnas mediante cordones de soldadura, remaches
y pernos, que se encuentra en el mercado, laminado en caliente desde
20x20x2 mm hasta 50x50x4 mm de espesor.
c) PERFIL “C”
Son perfiles de canal utilizados para la elaboración de vigas y columnas tanto
en celosías y secciones compuestas.
Este tipo de perfiles se encuentra de dos tipos: laminado en caliente y
conformado en frío desde 60x30x2 mm hasta 200x50x4 mm de espesor.
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d) PERFIL “I”
Estos perfiles existen en gran variedad de dimensiones estandarizadas que son
utilizados para vigas y columnas en la construcción de edificios, puentes, etc.
Este tipo de perfil tiene limitación de su uso pues su costo es elevado al ser
importado, de existir la necesidad se los puede armar mediante placas y
soldadura, también se podrá formar un “I” con perfiles C, G, a través de
soldadura.
1.4 CUBIERTAS
Se llama cubierta a la superficie entramada que cierra un edificio por su parte
superior proporcionando a éste un adecuado aislamiento térmico y
protegiéndole de los elementos climatológicos exteriores.
Las cubiertas pueden ser simples si están compuestas por elementos
sustentantes de una sola clase. Se llaman compuestas cuando los elementos
planos no son por sí solos resistentes a la sustentación, siendo, por tanto,
necesario el empleo de cerchas. Este tipo de cubiertas pueden ser fácilmente
elaboradas por la gran diversidad de materiales que disponemos en el
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mercado, así como la ventaja de poder ser armados sus miembros ya sea
mediante soldadura, remaches o pernos.
La función de una cubierta es la de cubrir un espacio con el menor número de
soportes intermedios y a la vez evacuar correctamente las aguas de lluvia,
según sean sus pendientes, así como suministrar a través de sus cristales la
iluminación de la nave.
1.4.1 ELEMENTOS DE UNA CUBIERTA
Los elementos que componen una cubierta metálica son conocidos en el
campo industrial. En la Fig. Nº 1.7 muestra los componentes de una cubierta.
Fig. N°1.7 Elementos de Cubierta.
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Los elementos que componen una estructura metálica son conocidos en el
campo industrial con algunos sinónimos que dependen del tipo de estructura.
En el punto 3, 7, 5, 4 y 6 son los miembros que componen la estructura
principal, cubriendo el claro para soportar las cargas muertas y vivas.
En el punto 2 son miembros que trasmiten las cargas de la cubierta a la
estructura principal y trabajan a flexión.
El punto 1 es el que cubre toda la estructura.
El punto 8 son miembros de rigidez que soportan las cargas de viento.
[5]
(5) FERNÁNDEZ, D: Estructuras Metálicas , tomo V, Pág. 17.
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( ) , , , g
1.4.2 TECHOS
a) ASBESTO-CEMENTO
En el caso de los productos de asbesto-cemento, el asbesto es una materia
prima minoritaria (aprox. 10%), y está catalogada como “material cautivo”, pues
las fibras están aprisionadas dentro del cemento, y no se desprenden durante
su manejo normal, aplicación y servicio. En la Fig. Nº 1.8 se detallan los techos
más usados en el mercado nacional. [6]
Fig. N°1.8 Tipos de Techos (Asbesto-Cemento)
(6) ETERNIT: Catálogo General.
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b) PANEL DE ACERO
Panel de acero protegido con aluminio, lo cual dá larga vida a su techo. El
aluminio refracta los rayos solares haciendo que el ambiente debajo del techo
sea más fresco.
Este tipo de techo es resistente para cualquier tipo de clima, no se quiebra, no
se oxida, no se adhieren hongos, es muy liviano, por tanto es muy fácil de
transportar e instalar. El panel tiene una costura mecánica que logra cubiertas
100% herméticas aún para pendientes mínimas del 2%; producido en medidas
estándar. En la Fig. Nº 1.9 se detallan los techos más usados en el mercado
nacional. [7]
Fig. N° 1.9 Tipos de Techos (Acero Inoxidable)
(7) KUBIEC: Catálogo General.
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1.4.3 ESTRUCTURAS PARA CUBIERTAS
Las estructuras para cubiertas se pueden clasificar en algunos grupos:
columnas - armaduras, columnas - vigas, marcos rígidos, estas se analizarán a
fin de relacionar con las condiciones que se dispone en el proyecto.
1.4.3 1 COLUMNAS Y ARMADURAS
Las armaduras se pueden definir como vigas grandes, de gran peralte y de
alma abierta. Se trata de una estructura triangulada que recibe el peso de las
correas y los trasmite a los soportes o a los muros. La armadura puede adoptar
dos formas:
Cubierta a dos aguas formadas por cerchas simétricas dispuestas según
planos paralelos y enlazados por las correas que soportan los faldones.
Cubierta parabólica en celosía de sección uniforme así como de sección
variable.
Existen un sin número de cerchas que se pueden utilizar en la construcción de
cubiertas. Algunas de estas armaduras y columnas se presentan en la
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Fig. Nº 1.10 ya que son apropiadas para salvar pequeñas, medianas y grandes
luces en sección uniforme así como de sección variable. [8]
Fig. N°1.10 Tipos de Armaduras.Fuente: Parker Harry, Cálculo de Estructuras de Acero, Edición Urmo, Pag. 67
El grupo de columnas se detallaran en la figura Nº 1.11 donde se muestran los
tipos más comunes que se expondrá en el grupo de vigas.
(8) PARKER, H: Cálculo de Estructuras de Acero , capítulo II, Pág. 67.
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1.4.3.2 COLUMNAS Y VIGAS
Es el conjunto monolítico de los elementos fundamentales de una construcción,
ordenados normalmente paralelo a la fachada, y cuyos elementos principales
son las columnas y las vigas. [9]
a) COLUMNAS
Son los elementos verticales de las estructuras, los cuales soportan las cargas
de toda la construcción, vigas, muros y forjados. Según estén formados por uno
o varios perfiles, se les denomina simples o compuestos.
c) VIGAS
Son estructuras trianguladas que tienen paralelos sus cordones y apoyan en
sus extremos.
Existen vigas que se fabrican en taller o en obra, éstas son menos utilizadas,
pues los perfiles existentes hoy en el mercado simplifican su uso.
(9) FERNÁNDEZ, D: Estructuras Metálicas , tomo V, Pág. 11.
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( ) , , , g
Según la disposición de sus montantes y diagonales reciben nombres
diferentes. He aquí se detallan en la Fig. Nº 1.11 las más usuales.
Fig. N°1.11 Tipos de Vigas y Columnas.
Fuente: Fernández, D. Estructuras Metálicas, Ediciones Daly, Pág. 10 y 11
1.4.3.3 MARCOS RÍGIDOS
El marco rígido es una estructura con juntas resistentes a momentos. En las
juntas los miembros están rígidamente conectados entre sí, para impedir la
rotación relativa de ellos cuando se aplica cargas. Ventajas de estos marcos
son: economía, apariencia y ahorro en la altura libre. Desempeñan los mismos
trabajos que las columnas de acero y las armaduras pueden llevar a cabo, sin
ocupar tanto espacio. Los marcos rígidos han probado ser muy satisfactorios
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para iglesias, auditorio, casas de campo, arsenales, coliseos y otras estructuras
que requieren grandes áreas sin obstrucciones. [10]
En la Fig. Nº 1.12 se muestra un arco parabólico. El área que debe encerrar, se
considera rectangular, como se presenta en (a) con línea interrumpida. En la
parte (b) el arco se dobla de manera que incluye precisamente el diagrama de
espacio libre. Situación similar que se grafica en las partes (c) y (d).
Fig. N°1.12 Tipos de Marcos Rígidos.
Fuente: J. McCormac, Diseño de Estructuras Metálicas, 1° Edición, Pág. 651
Este tipo de marcos pueden ser a dos aguas o parabólicas, en alma llena de
sección uniforme así como de sección variable.
(10) McCORMAC, J: Diseño de Estructuras Metálicas , capítulo 19, Pág. 650.
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1.5 PRINCIPALES TIPOS DE ESTRUCTURAS UTILIZADAS
Los tipos de estructuras que generalmente se diseñan están de acuerdo a las
necesidades y preferencias del contratante en el mercado nacional.
a) TIPO I
Este tipo de estructura en celosías a dos aguas y parabólica esta formado por
columnas y vigas cuyas secciones integran por dos perfiles “C” en sus
miembros principales y perfiles “L” en los miembros secundarios. Los
elementos se hallan ligados mediante cordones de soldadura, también se
utiliza un sistema de empernado en las columnas para su anclaje a la
cimentación y para la cubierta largueros de perfil”G”. La estructura se presenta
en la Fig. Nº 1.13.
Existen dos formas para disponer las correas que forman la cuerda superior y
la cuerda inferior, estas son:
1. Mediante celosías formadas por varillas de acero y perfiles de acero
estructural.
2. Mediante un perfil conformado en frío (L)
La altura de las columnas suelen ser de cuatro metros y el ángulo de
inclinación de las vigas oscilan entre los 15 y 20 grados para cubierta, en
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general este tipo de estructura se emplea en naves de uso múltiples para
cubrir, medianas y grandes luces.
Fig. N°. 1.13 Estructura en Celosía a dos aguas y parabólica.
b) TIPO II
Este tipo de estructuras de alma llena a dos aguas y parabólica con juntas
resistentes a momentos, desempeñan los mismos trabajos que las columnas
de acero sin ocupar tanto espacio. Los marcos rígidos han probado ser muy
satisfactorios para iglesias, auditorios, casas de campo, arsenales y otras
estructuras que requieren grandes áreas sin obstrucciones también se utiliza
un sistema de empernado en las columnas para su anclaje en la cimentación y
para la cubierta largueros tipo “I”. La estructura se presenta en la Fig. Nº 1.14.
Estos marcos rígidos generalmente para claros de 7 a 60m o más.
Dependiendo de las cargas, tipo de construcción, la separación de centro a
centro de marco es entre 4 a 10m.
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Fig. N°1.14 Estructura el Alma llena a dos aguas y parabólica.
c) TIPO III
Este tipo de estructura es empleada para cubrir pequeñas áreas, los elementos
de las vigas y columnas están formados por perfiles “G”, estos elementos están
armados o compuestos, mediante cordones de soldadura, se utiliza también un
sistema de empernado en las columnas para su anclaje en la cimentación y
para la cubierta largueros de perfil “G”. La estructura se presenta en la Fig. Nº
1.15.
La altura de las columnas suelen ser de tres metros y el ángulo de inclinación
de las vigas oscilan entre los 15 a 20 grados para cubierta, en general este tipo
de estructuras se puede emplear para cubrir pequeñas y medianas luces como
bares, aulas, casas comunales, galpones, casas, etc.
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Fig. N° 1.15 Estructura con perfiles armados a dos aguas.
d) TIPO IV
Este tipo de estructuras son estéticas para pequeña, medianas y grande luces.
De la Fig. Nº 1.16 los elementos principales viga y columnas están formados
por tubería estructural redonda.
Fig. N° 1.16 Estructura con tubos Estructural redondo parabólico.
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De la Fig. Nº 1.17 los elementos principales de la viga están formados por
placas armadas con soldadura y las columnas están armadas con correas “G”
Fig. N°1.17 Estructura de alma llena de una sola caída.
1.6 ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS
Se ha revisado todo tipo de estructuras comunes en el mercado nacional como
las secciones para su construcción, las funciones que desempeñan, tipo de
materiales, etc, las cuales deben ajustarse a las necesidades del cliente.
Se realizará el análisis de los tipos de estructuras, como referencia a las
citadas anteriormente.
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Todos los tipos de estructuras antes mencionados son aceptables para el
proyecto ya que las condiciones de servicio son viables, siempre y cuando la
construcción tenga una adecuada altura en sus columnas y vigas.
Este tipo de estructuras se acopla a las condiciones que tiene el lugar
destinado para la Facultad de Ingeniería Mecánica.
Las estructuras a dos aguas y parabólicas son livianas, económicas y seguras,
su estructura permite que sea funcional para las actividades que se van a
desarrollar en el lugar.
a) ALTERNATIVA I
Las estructuras tipo I y II por su configuración son aceptables ya que estas
estructuras son dedicadas para cubrir grandes y pequeñas luces como
coliseos, galpones, piscinas, casas y otros.
b) ALTERNATIVA II
La estructura tipo III por su configuración es aceptable para el proyecto ya que
es liviana, segura y económica, permitiendo su funcionalidad para actividades a
desarrollar.
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Esta estructura es una alternativa aceptable pero es muy común en la
construcción de pequeñas luces.
c) ALTERNATIVA III
Las estructuras Tipo IV ilustradas anteriormente reúnen características ideales
que se ajustan a la necesidad del proyecto por lo estético ya que no merita
mayores cargas y son seguras, livianas, económicas, etc.
Razón por la cual este tipo de estructuras es una solución para la necesidad
del proyecto.
1.7 SELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA PARA EL PROYCTO
Para la selección de la estructura disponemos según los espacios disponibles
ideales que se ajustan a la necesidad del proyecto, identifica tres tipos de
estructuras metálicas como posibles opciones para el proyecto.
A continuación se observara las estructuras en las figuras ( Fig. Nº 1.18, Fig.
Nº 1.16 y Fig. 1.14)
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El tipo de estructura para construir se selecciona con criterios importantes
como: el económico, estético y la preferencia del cliente.
Fig. N°1.18 Estructura parabólica con tubo redondo.
Fig. N°1.16 Estructura parabólica en celosía con tubo redondo (b).
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Fig. N° 1.14 Estructura de alma llena a dos aguas.
1.7.1 CRITERIO ECONÓMICO
Los materiales a utilizar para las distintas estructuras se encuentran disponibles
en su totalidad en el mercado nacional, para satisfacer la necesidad y
requerimiento del cliente.
Las estructuras de las figuras (Fig. Nº 1.18, Fig. Nº 1.16 y Fig. Nº 1.14) son
estructuras sometidas solo a esfuerzos de compresión y pequeños esfuerzos
de flexión.
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Las estructuras de celosía son más ligeras que las de alma llena por su tiempo
y construcción por lo tanto es más barato construir con tubería estructural
redonda.
Las estructuras armadas con placas tienen un mayor costo con relación a los
de tubería estructural redonda ya que se requiere de mano de obra adicional
para el armado.
A continuación se presenta un cuadro comparativo de la tabla 1.3 del costo de
los diferentes tipos de estructuras previo al diseño.
TABLA 1.3 COSTO DE ESTRUCTURAS
COSTOTIPO DE ESTRUCTURAS TOTAL
USD1. Estructura Parabólica de Tubo Redondo con Domos 2160,002. Estructura Parabólica en Celosía de Tubo con Eternit 1930,003. Estructura de Alma Llena de dos caída con Panel Metálico 2067,00
Los valores que se indica en la tabla 1.3 son costos estimados de materiales,
mano de obra, equipo y herramientas, pero no se ha considerado el valor de
diseño, ya que, se requiere de un mayor análisis de una estructura de alma
llena a una estructura de tubería estructural redonda por lo cual varían los
precios pero tratándose del proyecto profesional de grado este costo no
aumenta el valor total.
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1.7.2 CRITERIO ESTÉTICO
En este caso para el criterio estético constructivo se están utilizando las
estructuras metálicas, aumentando el gusto por las formas adaptadas al
material y a su diseño estructural para bar restaurante, bar cafetería, casas
unifamiliares y otras construcciones de servicio.
Para este caso es importante armonizar con el espacio interior y exterior que
es óptimo para este tipo de construcciones, sin obstruir el espacio requerido
que es de gran importancia.
1.7.3 CRITERIO DEL CLIENTE
El cliente es la parte más importante para la ejecución de la obra, mientras
tanto que el ingeniero mecánico como diseñador, tiene la necesidad de
acogerse de las exigencias y preferencias del cliente, satisfaciendo así todos
sus aspectos preferidos para incentivarle que realice la obra.
El cliente sugiere que se realice una estructura metálica de placas armadas de
dos caídas, porque se ajusta a las necesidades y condiciones que tiene el
lugar.
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A continuación se presenta una escala de valoración para calificar las
alternativas (Fig. N°.18) y un cuadro comparativo de la tabla 1.4 del análisis de
alternativas.
ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS
0
2
4
6
8
10
12
EST. PARABÓLICA DETUBO REDONDO
EST. PARABÓLICA ENCELOSÍA DE TUBO
EST. DE ALAMA LLENA
ECONÓMICO
ESTÉTICO
FUNCIONAL
CLIENTE
Fig. N°1.19 Escala de valoración de alternativas.
TABLA 1.4 ANALISIS DE ALTERNATIVAS
ALTERNATIVA EST. PARABÓLICA EST. PARABÓLICA EST. DE ALMACRITERIO DE TUBO REDONDO EN CELOSÍA DE TUBO LLENAECONÓMICO 9 9 9ESTÉTICO 8 7 10FUNCIONAL 9 9 10CLIENTE 8 8 10TOTAL 34 33 39
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CAPÍTULO II
ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA
2.1 INTRODUCCIÓN
Primero se realizará un diseño y análisis previo o preliminar, en el que se
asumen dimensiones iniciales, la rigidez, las resistencias relativas entre los
miembros y se simplifica el análisis para llegar posteriormente al diseño
definitivo a través de iteraciones de aproximación.
Luego del análisis y diseño previo se definen las dimensiones y geometría
exactas del pórtico a construir, información que se recoge en los planos
respectivos. Se revisan las cargas que soporta la estructura por la variación de
las secciones asumidas inicialmente para el pórtico, determinando así los
esfuerzos según las condiciones respectivas para el diseño de todos sus
elementos individuales y finalmente se diseñará los largueros, placas bases y
uniones soldadas.
Para el análisis y diseño tanto preliminar como definitivo se usa el Código
Ecuatoriano de la Construcción, el Manual de la AISC y el programa Sap 2000
que sirve para determinar las reacciones y cargas del pórtico.
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2.2 ANÁLISIS Y DISEÑO PRELIMINAR
La geometría y las dimensiones básicas para la estructura a construir se
presentan en la figura Nº 2.1. La estructura elegida corresponde al pórtico a dos
aguas sobre dos columnas articuladas en sus bases.
Fig. N° 2.1 Nomenclatura del Pórtico
Donde:
L = Luz del pórtico = 6 m
H = Altura total del pórtico = 3,50 m
h = Altura de la columna = 2,60 m
q = Longitud de la viga inclinada = 3,13 m
f = Altura de la cubierta = 0,90 m
S = Longitud de toda la viga (2xq) = 6,26 m
T = Longitud del pórtico (S+2xh) = 11,46 m
d = Separación entre pórticos = 3 m
t’ = Longitud de la cubierta (2q+2x0.5m) = 7,26 m
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2.2.1 CARGAS SOBRE LA ESTRUCTURA
Se estiman las cargas tanto muertas como vivas que actúan sobre la cubierta a
dos aguas para el Bar de la Universidad Tecnológica América de la Facultad de
Ingeniería Mecánica.
2.2.1.1 CARGAS MUERTAS
PESO DE LA CUBIERTA
El peso de la cubierta se estima en 4,82
m
Kgf que corresponde a una cubierta de
plancha de Galvalumen tipo Kubimil de 0,4 mm. Este valor proporciona el
fabricante KUBIEC.
Para el diseño se tienen las siguientes cargas:
La carga W es el peso total de la cubierta se determina con la siguiente
fórmula.
d t pW ' Ecuación (2.1)
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Donde:
W = carga total
p = peso estimado
t’ = longitud de la cubierta
d = separación entre pórticos
mm
m
kgf W 326,78,4
2
Kgf W 5,104
La carga correspondiente W vertical uniformemente repartida sobre la luz del
pórtico se determina como:
L
W w
m
Kgf w
6
5,104
m
kgf w 4,17
De forma similar se calcula el resto de las cargas muertas y los resultados se
presentan en la Tabla 2.1
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PESO DEL PÓRTICO
Para el diseño del pórtico se estima una sección I conformada mediante
planchas laminadas en caliente de Acero ASTM A36. Las dimensiones de sus
miembros son:
PERFIL TIPO I
Mediante planchas laminadas ASTM A-36 laminados en caliente.
Las dimensiones de los miembros son:
Patín: Ancho (b) = 12 cm ; espesor (t) = 0,4 cm
Alma: Ancho (h) = 20 cm ; espesor (t) = 0,4 cm
Las áreas del pórtico resultan:
Patín = 2 (0,12 m X 0,004 m) = 9,6x10-4 m2
Alma = 0,20 m X 0,004 m = 8x10-4 m2
Total del área del pórtico es = 17,6x10-4 m2
Peso del pórtico por metro = 17,6x10-4 m2 x 78803
m
Kgf = 13,87
m
Kgf
Patín = 2 (0.12 m X 11.46 m) = 2,7504 m2
Alma = 0.20 m X 11.46 m = 2,292 m2
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Patín de 4mm de espesor es 31,402
m
Kgf = 2,7504 m2 x31,40
2m
Kgf = 86,36 Kgf
Alma de 4mm de espesor es 31,402
m
Kgf = 2,292 m2 x31,40
2m
Kgf = 71,96 Kgf
Total del pórtico entre el patín y el alma es de 158,32 Kgf.
Este valor se incrementa un 15 % por cargas de arriostramiento, soldadura y
apoyos, entonces queda con un valor de 182,00 Kgf
PESO DE LAS CORREAS
Inicialmente se considera un perfil G 80 x 40 x 15 x 3, separadas una de otra a
una distancia de 1,20 m, con esto se calcula la cantidad y peso total. Los
valores son proporcionados por el fabricante.
Donde:
Longitud de la viga = 6,50 m
Separación de la correas = 1,20 m
Cantidad / Unitaria = 9 unidades
Peso de la correas = 4,01m
Kgf
Distancia entre pórticos = 3 m
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Total peso de la correas = (C/U) x (d) x (peso correa)
= (9) x (3 m) x (4,01m
Kgf )
= 108,3 Kgf
PESO DE INSTALACIONES
Se estima que por posibles instalaciones que se realizan sobre el pórtico tiene
una carga de 52
m
Kgf .
Donde:
Longitud de la viga = 6,26 m
Separación entre pórtico = 3 m
Peso de instalación = 5 Kgf/m2
Total peso de instalaciones = 6,26 m x 3 m x 52
m
Kgf
= 93,9 Kgf.
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TABLA 2.1 TOTAL DE CARGAS MUERTA
CARGAS MUERTAS
CARGAS
PESO
m
Kgf
PESO
Kgf
Cubierta 17,4 104,5
Pórtico 30,3 182,0
Correas 18,1 108,3
Instalaciones 15,7 93,9
Total 81,5 488,7
2.2.1.2 CARGAS VIVAS
CARGA MÍNIMA VIVA
De acuerdo al Código Ecuatoriano de la Construcción (C.E.C.), específica que
se utilizará para el cálculo de cubiertas una carga mínima de 702
m
Kgf , este valor
resulta igual que las cargas de granizo y ceniza como se observará más
adelante.
Total carga mínima viva = 702
m
Kgf x (d) x (L)
= 702
m
Kgf x (3m) x (6m)
= 1260 kgf
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CARGAS DE VIENTO
Según datos actuales (año 1999) del Instituto Nacional de Meteorología
(INAMHI), establece una velocidad de 80h
Km, con una densidad del aire de
1.053m
Kgf .
El cálculo se determina de la siguiente fórmula.
W = c x q Ecuación (2.2)
Donde:
W = presión2
m
Kgf
c = coeficiente de aerodinámica
q = presión dinámica [1/2 (V2 x d)] [1]
d = densidad del aire 1.053
m
Kgf .
q = 0.00405 x V2
V = velocidad enh
Km
(1) GAYLORD, E: Diseño de Estructuras Acero , capítulo I, Pág. 36.
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W = (C) X (0.00405) X (V2)
El valor de C para fachada de barlovento perpendiculares a la dirección del
viento es generalmente de 0.8 y para sotavento 0.4 de manera que se puede
remplazar este efecto por un factor de 1.2 en una de las fachadas. Las
presiones en el techo dependen de la inclinación y la forma.
C = 1.2
W = c x q x V2 [2]
W = (1.2) x (0.00405 x 802)
W = 31,12m
Kgf
Se usará 302
m
Kgf
Total carga de viento = 302
m
Kgf x (d) x (f)
= 302
m
Kgf x (3m) x (0,90m)
= 81 kgf
(2) GAYLORD, E: Diseño de Estructuras Acero , capítulo I, Pág. 37.
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CARGA DE GRANIZO
Según el informe de la (INAMHI) en Quito se considera un peso de granizo de
402m
Kgf que se establece anualmente.
Total de carga de granizo = 402
m
Kgf x (d) x (L)
= 402
m
Kgf x 3m x 6m
= 720 kgf
CARGA DE CENIZA
Realizado por el Departamento de Investigación (ESPE) la carga de ceniza es
de 202
m
Kgf .
Total de carga de ceniza = 202
m
Kgf x (d) x (L)
= 202
m
Kgf x 3m x 6m
= 360 kgf
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CARGA SÍSMICA
Según el Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional (E.P.N.) en el
país y en especial en Quito, establece un valor de carga sísmica, la misma que
es asumida por el Código Ecuatoriano de la Construcción (C.E.C.) sustentada
por la siguiente fórmula.
V = I x K x CS x W Ecuación (2.3)
Donde:
V = fuerza lateral sísmica
I = factor de importancia de ocupación (1.0)
K = factor de fuerza horizontal para estructuras (1.33)
CyS = coeficiente numérico que depende del período natural de
vibración (no debe exceder de 0.14)
W = carga muerta 488.7 Kgf
Desarrollo:
V = (1.0) x (1.33) x (0.14) x (W)
V = (1.0) x (1.33) x (0.14) x (488,7 Kgf)
V = 91,0 Kgf
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En el siguiente cuadro se presentan las respectivas cargas que están dadas en
2m
Kgf ,
m
Kgf y Kgf, que son las que se obtienen.
TABLA 2.2 TOTAL DE CARGAS VIVAS
CARGAS VIVAS
CARGAS2
m
Kgf
m
Kgf Kgf
Carga Viva (C.E.C) 70 210 1260Carga de Viento (INAMHI) 30 90 81
Carga de Granizo (INAMHI) 40 120 720
Carga de Ceniza (ESPE) 20 60 360
Carga Sísmica (C.E.C) 91
Por tanto la carga de granizo más la carga de ceniza son relativamente iguales
a la carga viva, entonces se usará la carga viva del Código Ecuatoriano de la
Construcción (C.E.C.)
A pesar de que la carga sísmica es mayor que la carga de viento se usará la de
viento por ser un diseño preliminar.
Obtenidos los valores de carga muerta, carga viva y carga de viento se procede
a calcular las reacciones, momentos, axiales y cortantes.
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2.2.2 CÁLCULO DE REACCIONES, MOMENTOS, AXIALES Y
CORTANTES
Para el cálculo de reacciones, momentos, axiales y cortantes según las
diferentes condiciones de carga muerta, viva y de viento, en los diferentes
puntos de la estructura se utilizará el programa SAP 2000 correspondiente al
cálculo de pórticos articulados.
Se presentarán diagrama de momentos, axiales y cortantes, los mismos que se
basarán en la siguiente convención de signos.
Momentos: los que comprimen las fibras externas o superiores: positivos, los
que tensan las fibras internas o interiores negativos.
Axiales: los que causan fuerzas de tensión: positivos y los que causa
compresión negativos.
A efecto del cálculo se consideran las siguientes cargas:
Carga muerta = 81,5m
Kgf
Carga viva = 210m
Kgf
Carga de viento = 90m
Kgf
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Para determinar las reacciones, cortantes, axiales y momentos se definen
varias secciones sobre el pórtico, que se representan con puntos según el
siguiente sistema de coordenadas:
Fig. N° 2.2 Distribución de secciones
TABLA 2.3 VALORES DE X Y Z
VALORES (m)
PUNTO X Z
1 0 0
2 0 1,3
3 0 2,64 1,5 3,05
5 3 3,5
6 4,5 3,05
7 6 2,6
8 6 1,3
9 6 0
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Las dimensiones del perfil utilizado se presenta en la Fig. N°. 2.3 y en la tabla
2.4 y en la Fig. N°. 2.4 se indica un esquema del pórtico.
Fig. N° 2.3 Nomenclatura para la sección del pórtico en Prediseño
Tabla N° 2.4 Dimensiones y propiedades del perfil.
DIMENSIONES PROPIEDADES
b = 0,12 m Ix = 1,158E-5 m4
h = 0,20 m Iy = 1,153E-6 m4
ta = 0,004 m Sx = 1,158E-4 m3
tp= 0,004 m Sy = 1,922E-5 m3
rx = 0,0819 m
ry = 0,0258 m
A = 1,728E-3 m2
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Fig. N° 2.4 Esquema del pórtico mediante el perfil I.
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2.2.2.1 CARGA MUERTA VERTICAL UNIFORMEMENTE REPARTIDA
Es la carga vertical dirigida hacia abajo uniformemente distribuida y se asume
constante a lo largo de toda la luz. La carga distribuida “w” tiene un valor P/L
(peso por unidad de longitud). [3]
Donde L
Pw
m
Kgf w
6
7,488
m
Kgf w 5,81
Fig. N° 2.5 Carga Muerta.
(3) LOTHERS, J: Cálculo Superior de Estructuras de Acero, capítulo V, Pág. 509.
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CARGA MUERTA – ANÁLISIS
DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES
Fig. N° 2.6 Diagrama de Carga Axial
DIAGRAMA DE FUERZAS CORTANTES
Fig. N° 2.7 Diagrama de Fuerzas Cortantes
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DIAGRAMA DE MOMENTOS
Fig. N° 2.8 Diagrama de Momentos.
Tabla N° 2.5 Valores con Carga Muerta
TABLA DE VALORES CON CARGA MUERTA
PUNTOX
[m]
Z
[m]
Mx
[Kgf*m]
Nx
[Kgf]
Qx
[Kgf]
1 0,00 0,00 0,00 -255,27 -71,66
2 0,00 1,30 93,15 -255,27 -71,66
3 0,00 2,60186,31
-186,31
-255,27
-141,98
-71,66
-223,91
4 1,50 3,05 66,56 -105,33 -101,74
5 3,00 3,50 132,10 -68,6320,59
-20,59
6 4,50 3,05 66,77 -105,33 101,58
7 6,00 2,60 -186,31-141,98
-255,27
223,91
71,66
8 6,00 1,30 -93,15 -255,27 71,66
9 6,00 0,00 0,00 -255,27 71,66
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2.2.2.2 CARGA VIVA VERTICAL UNIFORMEMENTE REPARTIDA
Actúa verticalmente sobre la cubierta y se asume constante a lo largo de toda la
luz (C.E.C.)
m
Kgf w 210
Fig. N° 2.9 Carga Viva.
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CARGA VIVA – ANÁLISIS
DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES
Fig. N° 2.10 Diagrama de Carga Axial
DIAGRAMA DE FUERZAS CORTANTES
Fig. N° 2.11 Diagrama de Fuerzas Cortantes
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DIAGRAMA DE MOMENTOS
Fig. N° 2.12 Diagrama de Momentos
Tabla N° 2.6 Valores con Carga Viva.
TABLA DE VALORES CON CARGA VIVA
PUNTOX
[m]
Z
[m]
Mx
[Kgf*m]
Nx
[Kgf]
Qx
[Kgf]
1 0,00 0,00 0,00 -657,74 -184,64
2 0,00 1,30 240,03 -657,74 -184,64
3 0,00 2,60480,06
-480,06
-657,74
-365,85
-184,64
-576,94
4 1,50 3,05 171,50 -271,41 -262,16
5 3,00 3,50 340,38 -176,8553,05
-53,06
6 4,50 3,05 172,05 -271,29 261,73
7 6,00 2,60 -480,06-365,85
-657,74
576,94
184,04
8 6,00 1,30 -240,03 -657,74 184,04
9 6,00 0,00 0,00 -657,74 184,04
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2.2.2.3 CARGA HORIZONTAL DE VIENTO UNIFORMEMENTE REPARTIDA
Actúa horizontalmente sobre la cubierta y se asume constante entre la
separación de pórticos.
m
Kgf w 90
Fig. N° 2.13 Carga de Viento.
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CARGA DE VIENTO - ANÁLISIS
DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES
Fig. N° 2.14 Diagrama de Carga Axial.
DIAGRAMA DE FUERZAS CORTANTES
Fig. N° 2.15 Diagrama de Fuerzas Cortantes
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DIAGRAMA DE MOMENTOS
Fig. N° 2.16 Diagrama de Momentos.
Tabla. N° 2.7 Valores con Carga de Viento
TABLA DE VALORES CON CARGA DE VIENTO
PUNTOX
[m]
Z
[m]
Mx
[Kgf*m]
Nx
[Kgf]
Qx
[Kgf]
1 0,00 0,00 0,00 45,77 47,01
2 0,00 1,30 -61,11 45,77 47,01
3 0,00 2,60-122,22
122,22
45,77
58,18
47,01
30,34
4 1,50 3,05 64,41 15,07 43,27
5 3,00 3,50 -13,33-28,07
-54,38
56,22
31,47
6 4,50 3,03 -62,60 -54,38 31,47
7 6,00 2,60 -111,93-54,38
-45,77
31,47
43,05
8 6,00 1,30 -55,96 -45,77 43,05
9 6,00 0,00 0,00 -45,77 43,05
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2.2.2.4 COMBINACIÓN DE CARGAS
Se ha considerado una combinación, debido a las cargas muertas, cargas vivas
y cargas de viento, el resultado se presenta en la tabla N° 2.8 y figuras 2.17,
2.18, 2.19 y 2.20.
Fig. N° 2.17 Combinación de Cargas
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COMBINACIÓN DE CARGAS - ANÁLISIS
DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES
Fig. N° 2.18 Diagrama de Cargas Axiales.
DIAGRAMA DE FUERZAS CORTANTES
Fig. N° 2.19 Diagrama de Fuerzas Cortantes
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DIAGRAMA DE MOMENTOS
Fig. N° 2.20 Diagrama de Momentos.
Tabla. N° 2.8 Valores para Combinación de Cargas
TABLA DE VALORES PARA COMBINACIÓN DE
CARGAS
PUNTOX
[m]
Z
[m]
Mx
[Kgf*m]
Nx
[Kgf]
Qx
[Kgf]
1 0,00 0,00 0,00 867,24 209,29
2 0,00 1,30 272,07 867,24 209,29
3 0,00 2,60544,15
544,15
867,24
449,65
209,29
770,51
4 1,50 3,05 302,47 361,67 320,63
5 3,00 3,50 459,16273,55
299,86
129,86
105,11
6 4,50 3,05 176,22 431,00 394,78
7 6,00 2,60 778,30562,21
958,78
832,32
298,75
8 6,00 1,30 389,14 958,78 298,75
9 6,00 0,00 0,00 958,78 298,75
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2.2.3 DISEÑO PRELIMINAR DE LA COLUMNA Y VIGA
Mediante las combinaciones críticas de carga de la tabla N° 2.8 se puede hacer
un diseño simplificado a fin de estimar las secciones tanto de la columna como
de la viga para esto se toma en cuenta solo las cargas axiales y momentos
máximos que actúan en dichos miembros.
2.2.3.1 COLUMNA
En el punto tres de la columna
Mmax = MCMuerta + MCViva + MCViento Ecuación (2.4)
Mmax = 186,31 Kgf.m + 480,06 Kgf.m + 111,93 Kgf.m
Mmax = 778,30 Kgf.m
Mmax = 67553,45 lbf.pulg
Nmax = NCMuerta + NCViva + NCViento Ecuación (2.5)
Nmax = 255,27 Kgf + 657,74 Kgf + 45,77 Kgf
Nmax = 958,78 Kgf
Nmax = 2113,74 lbf
Según la sección I asumida para la columna de acero ASTM A-36
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Las dimensiones:
Patín = 12 cm x 0,4 cm
Alma = 20 cm x 0,4 cm
Y propiedades:
A = 17,28 cm2 = 2,678 pulg2
Sx = 115,8 cm3 = 7,066 pulg3
ry = 2,58 cm = 1,015 pulg
Esfuerzo a compresión:
A
P fa Ecuación (2.6 )
2lg678.2
74.2113
pu
lbf fa
Ksi fa 7892.0
La relación de esbeltez de la columna es:
m
m x
r
lK
0258.0
60.26.1.
24.161.
r
lK
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Donde:
K: se asume el valor aproximado de 1.6 que corresponde a una condición en los
extremos en el que uno tiene rotación y traslación fijas y otro una condición
intermedia entre articulación y junta rígida con traslación libre.
l: longitud efectiva de la columna
r: radio de giro mínimo
Esfuerzo permisible a compresión:
ksiFa 74.5 Del manual de la A.I.S.C. Tabla 3-36
Sin embargo el esfuerzo permisible debe reducirse debido a que los elementos
de placa puedan no ser completamente efectivas por su esbeltez (b/t),
asumiendo un factor de reducción de 0.9 se tiene:
xFaFa 9.0´ Ecuación (2.7)
ksi xFa 74.59.0´
ksiFa 166.5´
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Entonces:
Ksi
Ksi
Fa
fa
166.5
786.0
152.0
Fa
fa
15.015.0
Fa
fa
Esfuerzo a flexión en la columna:
S
M fb max
Ecuación (2.8)
3lg066.7lg.45.67553
pu pulbf fb
ksi fb 560.9
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Esfuerzos permisibles a flexión:
Despreciando la posible reducción en los esfuerzos permisibles a flexión por los
elementos de placa esbeltos.
FyFb 6.0 A.I.S.C. 1.5.1.4.4 Ecuación (2.9)
)36000(6.0Fb
ksiFb 6.21
Entonces:
Ksi
Ksi
Fb
fb
6.21
560.9
442.0
Fb
fb
Como 15.0
Fa
fausando, la relación de la A.I.S.C. 1.6-2 para esfuerzos
combinados se tiene:
1
Fb
fb
Fa
fa
1442.015.0
1592.0 O.K.
La sección es satisfactoria.
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2.2.3.2 VIGA
M max = 778,30 kgf.m
M max = 67553,45 lbf.pulg
N max = NCMuerta + NCViva + NCViento
N max = 141,98 Kgf + 365,85 Kgf + 54,38 Kgf
N max = 562,21 Kgf
N max = 1239,46 lbf
Según se asumió una sección I para la viga ASTM A-36
Dimensiones:
Patín = 12 cm x 0,4 cm
Alma = 20 cm x 0,4 cm
Propiedades:
A = 17,28 cm2 = 2,678 pulg2
Sx = 115,8 cm3 = 7,066 pulg2
ry = 2,58 cm = 1,015 pulg
rx = 8.19 cm = 3,224 pulg
Esfuerzo a compresión:
A
P fa
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2678.2
46.1239
pulf
lbf fa
Ksi fa 4628.0
Esfuerzo permisible a compresión:
La relación de esbeltez de la viga es:
m
m x
r
lK
0819.013.35.1.
32.57.
r
lK
ksiFa 56.17 De la tabla 3-36 del anual de la A.I.S.C.
Considerando un factor de reducción de esfuerzo de 0.9
xFaFa 9.0´
ksi xFa 56.179.0´
KsiFa 80.15´
Entonces:
Ksi
Ksi
Fa
fa
80.15
4628.0
15.002929.0
Fa
fa
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Esfuerzo a flexión:
S
M
fb
max
2lg066.7
lg.45.67553
pu
pulbf fb
ksi fb 560.9
Esfuerzos permisibles a flexión:
FyFb 6.0
)36000(6.0Fb
ksiFb 6.21
Entonces:
Ksi
Ksi
Fb
fb
6.21
560.9
442.0
Fb
fb
Como 15.0
Fa
fa, usando la relación de esfuerzos combinados
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1
Fb
fb
Fa
fa
1442.002929.0
1471.0 Ok
Sección satisfactoria.
2.3 ANÁLISIS Y DISEÑO DEFINITIVO
Para el análisis y diseño definitivo se ha establecido las dimensiones básicas,
forma, geometría del pórtico y las secciones definitivas a lo largo del mismo,
como se describe seguidamente:
Luz del pórtico entre ejes = 5,80 m
Separación entre pórticos = 3,00 m
Altura de la columna = 2,60 m
Altura de la cubierta = 0,90 m
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Las anteriores dimensiones son las medidas entre ejes. La luz con relación al
cálculo preliminar tiene una ligera variación pues una medición más exacta en
el sitio y la conveniencia de tomar en cuenta las variaciones que existe entre los
diferentes pares de columnas determinan este valor.
La forma general del pórtico se designa como una estructura a dos aguas
compuesta de: viga, columna y cartelas. La viga es constante en el centro con
una variación en sus dos extremos acartelados y tiene perforaciones en el
alma. La columna es constante y una variación en la cabeza acartelada.
La forma general y la variación de la sección asumidos para el pórtico
responden a razones estéticas, facilidad constructiva y la forma como varían los
momentos y axiales a lo largo del pórtico.
El esquema completo, la variación de sección y las secciones especificadas del
pórtico pueden verse en las figuras N° 2.21, N° 2.22, la tabla N° 2.9 y los
planos de conjunto y detalle.
Tabla N° 2.9 Dimensiones y Propiedades del Diseño Definitivo.
DIMENSIONES PROPIEDADES
PÓRTICO SECCIÓN h ta b Tp A Ix Iy rx ry Sxcm cm cm cm cm2 cm4 cm4 cm cm cm3
COLUMNA A - A 20 0,4 10 0,4 15,68 1004 66,77 8 2,06 100,4B - B 20 0,4 10 0,4 15,68 1004 66,77 8 2,06 100,4
VIGA C - C 36,5 0,4 10 0,4 22,28 4123 66,86 13,6 1,73 225,9D - D 20 0,4 10 0,4 15,68 1004 66,77 8 2,06 100,4E - E 20 0,4 10 0,4 15,68 1004 66,77 8 2,06 100,4F - F 26 0,4 10 0,4 18,08 1844 66,8 10,1 1,92 141,9G - G 20 0,4 10 0,4 11,2 973,9 36,6 9,3 1,81 93,64
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Perfil de alma llena Perfil de alma perforada
Fig. N° 2.21 Sección para el pórtico
Fig. N° 2.22 Dimensiones de la estructura
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2.3.1 CÁLCULO DEL MOMENTO DE INERCIA MEDIO DE LA VIGA
La viga tiene una perforación en el alma como se observa en la figura N° 2.23 y
las propiedades en la tabla 2.10.
Fig. N° 2.23 Referencia para el Momento de Inercia medio de la viga
Donde:
Alma perforada = 919,18 cm4
Alma llena = 1004 cm4 n = # espacios
l1 = 12,0 cm n1 = 9
l2 = 14,2 cm n2 = 8
l3 = 52,0 cm n3 = 1
l4 = 30,0 cm n4 = 1
T l
xI xln xI xln xI xln xI xln I
244233222111
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487,973 cm x I
459,36 cm y I
Tabla N° 2.10 Dimensiones y propiedades de la viga media sección G - G.
DIMENSIONES PROPIEDADESh ta b tp A Ix Iy rx ry Sx
cm cm cm cm cm2 cm4 cm4 cm cm cm3
20 0,4 10 0,4 11,2 973,87 36,59 9,32 1,81 93,64
2.3.2 CARGAS
Puesto que están definidas las secciones definitivas, se pueden estimar mejor
las cargas.
Cargas muertas reales
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Kgf/m
80,5
)072,6)(00,3)(80,4(Cubierta = 15,00
80,5
)1000.7880()6,2)(24,34()072,6)(7,16(6
xPórtico = 25,90
80,5
)00,15)(00,3)(95,4(
argueros L
= 38,41
00,6
)46,11)(00,3)(00,5(nes Instalacio = 15,70
)90,25(15,0 ientoarriostramres Rigidizado = 3,90
Total de cargas muertas. = 98,90 Kgf/m
Cargas vivas = (70,00)(3,00) = 210,00 kgf/m
Cargas de viento = (30,00)(3,00) = 90,00 kgf/m
2.3.3 REACCIONES, CORTANTES, AXIALES Y MOMENTOS
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CARGA MUERTA
Fig. N° 2.24 Reacción de Carga Muerta
CARGA VIVA
Fig. N° 2.25 Reacción de Carga Viva
CARGA DE VIENTO
Fig. N° 2.26 Reacción de Carga de Viento2.3.3.1 ANÁLISIS DE CARGAS VERTICALES DEL PÓRTICO
CARGA MUERTA
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DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES
Fig. N° 2.27 Diagrama de Carga Axial
DIAGRAMA DE FUERZAS CORTANTES
Fig. N° 2.28 Diagrama de Fuerza Cortante
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DIAGRAMA DE MOMENTOS
Fig. N° 2.29 Diagrama de Momentos.
Tabla N° 2.11 Valores con carga muerta
TABLA DE VALORES CON CARGA MUERTA
PUNTO X[m]
Z[m]
Mx[Kgf*m]
Nx[Kgf]
Qx[Kgf]
1 0,00 0,00 0,00 -300,30 -81,08
2 0,00 1,30 105,41 -300,30 -81,08
3 0,00 2,60210,82
-210,82
-300,30
-166,45
-81,08
-262,78
4 1,45 3,05 77,06 -121,94 -119,37
5 2,90 3,50 151,65 -77,44 24,03-24,03
6 4,35 3,05 77,06 -121,94 119,37
7 5,80 2,60 -210,82-166,45
-300,30
262,78
81,08
8 5,80 1,30 -105,41 -300,30 81,08
9 5,80 0,00 0,00 -300,30 81,08
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2.3.3.2 ANÁLISIS DE CARGA VERTICAL VIVA DEL PÓRTICO
DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES
Fig. N° 2.30 Diagrama de Carga Axial
DIAGRAMA DE FUERZAS CORTANTES
Fig. N° 2.31 Diagrama de Fuerza Cortante
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DIAGRAMA DE MOMENTOS
Fig. N° 2.32 Diagrama de Momentos
Tabla N° 2.12 Valores con Carga Viva
TABLA DE VALORES CON CARGA VIVA
PUNTO
X
[m]
Z
[m]
Mx
[Kgf*m]
Nx
[Kgf]
Qx
[Kgf]
1 0,00 0,00 0,00 -637,65 -172,17
2 0,00 1,30 223,82 -637,65 -172,17
3 0,00 2,60447,64
-447,64
-637,65
-353,43
-172,17
-557,97
4 1,45 3,05 163,62 -258,93 -253,47
5 2,90 3,50 322,01 -164,43
51,03
-51,03
6 4,35 3,05 163,10 -258,93 253,47
7 5,80 2,60 -447,64-353,43
-637,65
557,97
172,17
8 5,80 1,30 -223,82 -637,65 172,17
9 5,80 0,00 0,00 -637,65 172,17
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2.3.3.3 ANÁLISIS DE CARGA HORIZONTAL EN LA CUBIERTA CARGA
DE VIENTO
DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES
Fig. N° 2.33 Diagrama de Carga Axial
DIAGRAMA DE FUERZAS CORTANTES
Fig. N° 2.34 Diagrama de Fuerza Cortante
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DIAGRAMA DE MOMENTOS
Fig. N° 2.35 Diagrama de Momentos
Tabla N° 2.13 Valores con Carga de Viento
TABLA DE VALORES CON CARGA DE VIENTO
PUNTOX
[m]
Z
[m]
Mx
[Kgf*m]
Nx
[Kgf]
Qx
[Kgf]
1 0,00 0,00 0,00 47,32 46,70
2 0,00 1,30 -61,06 47,32 46,70
3 0,00 2,60-122,12
122,12
47,32
58,88
46,70
31,28
4 1,45 3,05 64,30 15,91 44,62
5 2,90 3,50 -13,36-27,07
-55,13
57,96
32,45
6 4,35 3,05 -62,62 -55,13 32,45
7 5,80 2,60 -111,88-55,13
-47,33
32,45
43,03
8 5,80 1,30 -55,94 -47,33 43,03
9 5,80 0,00 0,00 -47,33 43,03
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2.3.3.4 ANÁLISIS DE COMBINACIÓN DE CARGAS
DIAGRAMA DE CARGAS AXIALES
Fig. N° 2.36 Diagrama de Carga Axial
DIAGRAMA DE FUERZAS CORTANTES
Fig. N° 2.37 Diagrama de Esfuerzo Cortante
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DIAGRAMA DE MOMENTOS
Fig. N° 2.38 Diagrama de Momentos
Tabla N° 2.14 Valores para combinación de Cargas
TABLA DE VALORES PARA COMBINACIÓN DE
CARGAS
PUNTOX
[m]
Z
[m]
Mx
[Kgf*m]
Nx
[Kgf]
Qx
[Kgf]
1 0,00 0,00 0,00 890,63 206,28
2 0,00 1,30 268,17 890,63 206,28
3 0,00 2,60 536,34890,63
464,33
206,28
789,47
4 1,45 3,05 304,98 364,96 328,22
5 2,90 3,50 460,3026894
297
133,02
42,61
6 4,35 3,05 178,06 436 405,29
7 5,80 2,60 770,34575,01
985,28
853,20
296,28
8 5,80 1,30 385,17 985,28 296,28
9 5,80 0,00 0,00 985,28 296,28
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2.3.4 DISEÑO DEL PÓRTICO
El procedimiento seguido para el diseño de la columna y la viga del pórtico en
líneas generales es el siguiente:
Primero se determinan las relaciones de esbeltez ancho a espesor (b/t) de los
diferentes elementos de placa que conforman el pórtico y se comparan con las
relaciones limites (b/t) lim, dadas por el manual de la A.I.S.C. Esto se debe a
que, al haber armado el pórtico con elementos de placa estos pueden ser
demasiado esbeltos y presentar el fenómeno de pandeo local. Cuando esto
ocurre la resistencia de los elementos según diferentes estados de carga se ve
disminuida.
Segundo se determinan los esfuerzos permisibles a diferentes estados de carga
y sus combinaciones, de ser el caso se los reduce por factores que toman en
cuenta el grado de pérdida en la resistencia debido a la esbeltez de las placas.
Finalmente se determinan los esfuerzos a que están sometidos los diferentes
elementos del pórtico de manera que éstos sean menores o iguales que los
esfuerzos permisibles.
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2.3.4.1 DISEÑO DE LA COLUMNA
En la figura N° 2.39 y la tabla N°2.15 se presentan las cargas, dimensiones y
propiedades para las secciones a la que se hace referencia en el diseño de la
columna. Las cargas Mx, Nx y Qx de la tabla son las críticas.
Fig. N° 2.39 Columna metálica
Tabla N° 2.15 Cargas, dimensiones y propiedades de la columna
CARGAS DIMENSIONES PROPIEDADESSECCIÓN M Nx Qx H ta b tp A Ix Iy rx ry Sx
Kgf.m Kgf Kgf Cm cm cm cm cm2 cm4 cm4 cm cm cm3
A - A 0,0 985,2 296,2 20,0 0,4 10,0 0,4 15,7 1004,0 66,7 8,0 2,06 100,4B - B 548,5 985,2 296,2 20,0 0,4 10,0 0,4 15,7 1004,0 66,7 8,0 2,06 100,4
C – C 770,3 985,2 853,2 36,5 0,4 10,0 0,4 22,3 4123,0 66,9 13,6 1,73 225,9
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2.3.4.2 LONGITUDES NO ARRIOSTRADAS
Longitud en el plano del alma. Lx = 260 cm
Perpendicular al alma. Ly = 260 cm
2.3.4.3 LONGITUDES EFECTIVAS
Ky = 1 se considera doblemente articulada.
Kx depende de la rigidez de la columna y la viga, las longitudes y
condiciones relativas a la libertad de los desplazamientos y giro
de los apoyos.
Con GB = 10 valor recomendado por la A.I.S.C. para columnas con
Condiciones articuladas, valor al pie de la columna.
Y GA
Lg Ig
Lc Ic
Ecuación (2.10)
GA 12
21
.
.
L I
L I
GA m
m X
m x
m x
6.2
072.6
107387.9
10004.1
46
45
GA = 2.40
K = 2.18 Del monograma para K (A.I.S.C.)
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Entonces:
KLx = 2.18 x 2.6 = 5.7 m
KLy = 1.0 x 2.6 = 2.6 m
2.3.4.4 ESFUERZOS PERMISIBLES A COMPRESIÓN
RELACIÓN DE ESBELTEZ DE LAS PLACAS
Patín
Relación de esbeltez del patín en la base y cabeza de la columna
b = 10 / 2; t = 0.4.
5.124.0
00.5
cm
cm
t
b
Relación de esbeltez máximamax
t
b A.I.S.C. 1.9.1.2
max
t
b=
Fy
95Ecuación (2.11)
max
t
b=
36
95
max
t
b = 15.8
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Como:
12.5 15.8 El patín plenamente efectivo no requiere de
reducción de esfuerzos permisibles debido
a la esbeltez de la placa.
ALMA
Relación de esbeltez del alma en la:
Sección: A – A y B – B
t
d =
4.0
20= 50
Sección: C – C
t
d =
4.0
5.36= 91.25
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Relación máxima del almamax
t
d A.I.S.C. 1.9.2.2
max
t
d =
Fy
253Ecuación (2.12)
max
t
d =
36
253
max
t
d = 42.2
Como:
50 42.2
91.25 42.2 El alma no es plenamente efectiva para
compresión axial y compresión a flexiónen el patín, se debe reducir los esfuerzos
permisibles correspondientes.
REDUCCION DE ESFUERZOS PERMISIBLES
En la base de la columna (Sección A-A)
Peralte efectivo del alma
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d
f t
d f de
3.44
1253
AISC Apéndice C: C3
con:
f = 0.6 Qs (Fy)
Qs = 1 Patín plenamente efectivo AISC Apéndice C
f = 0.6 Qs ( Fy )
f = 0.6 x 1 x 36
f = 21.6 Ksi
d de
6.2150
3.441
6.21
54.2
4.0
253
lg938.6 pude
cmde 62.17
Área efectiva de la columna en la base
4.062.174.0102 x x x Ae
2048.15 cm Ae
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Factor:
At
AeQa AISC Apéndice C: C4 Ecuación (2.13)
2
2
68.15
048.15
cm
cmQa
96.0Qa
FyQaQs
E cC
22
´
AISC Apéndice C: C5 Ecuación (2.14)
6.130' cC
ESFUERZO PERMISIBLE A COMPRESIÓN Fa REDUCIDO
3
3
2
2
'8'8
3
3
5
'2
1
cC
r
Kl
cC
r
Kl
FycC
r
Kl
QaQs
Fa AISC Apéndice C5 – 1 Ecuación (2.15)
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Con:
ry
Kl=
cm
cm x
06.2
2601= 126.2
rx
Kl=
cm
cm x
0.8
26018.2= 70.9
ry
Kl>
rx
Kl
3
3
2
2
6.1308
2.126
6.130
2.126
8
3
3
5
366.1302
2.126196.01
Fa
KsiFa 6.9
Para la Sección B - B se tiene:
cmde 62.17
2048.15 cm Ae
96.0Qa
6.130' cC
KsiFa 6.9
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Para la cabeza se tiene (Sección C - C):
cmde 5.19
28.15 cm Ae
71.0Qa
9.151' cC
KsiFa 2.13
2.3.4.5 ESFUERZOS PERMISIBLES A FLEXIÓN Fb
PATÍN
Tanto para la sección A – A , B – B y C – C
A tensión
Fb = 0.6 Fy A.I.S.C. 1.5.1.4.5.
A compresión
Como:
t
b= 12.5 < 15.8
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Si:
L Lc
Fb = 0.6 Fy AISC 1.5.1.4.5 2b
L = Longitud arriostrada
Lc = Longitud crítica no arriostrada
Lc =Fy
bf 76 Ecuación (2.16)
Donde:
bf = ancho del patín
Con:
bf = 10 cm
Lc =36
54.2
1076
Lc = 49.87 pulg
Lc = 126.7 cm
Como:
L = 260 cm > 126.7 cm Si existe posibilidad de pandeo
lateral torcional.
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Fb 0.6 Fy
Af
ld
Cb x
Fb
31012
A.I.S.C. 1.5.1.4.5a.
Donde:
l = 260 cm
d = 20.8 cm
Af = 0.4 cm x 10 cm = 4 cm2
Cb = 1.75 + 1.05 (M1/M2) + 0.3 (M1/M2)2
Cb = 1.75 + 1.05 (0/770.3) + 0.3 (0/770.3)2
Cb = 1.75
cm
cm xcm
xFb
4
8.20260
75.110123
.53.15 KsiFb
Fb 0.6 Fy
15.53 Ksi 21.6 Ksi
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ALMA
RELACIÓN DE ESBELTEZ MÁXIMA
max
t
d =
5.16
14000
FyFyAISC 1.10.2 Ecuación (2.17)
max
t
d = 322
Como:
max
t
d = 50 < 322 Sección A - A
max
t
d = 50 < 322 Sección B – B
max
t
d = 91.25 < 322 Sección C – C Ok
REDUCCIÓN EN LOS ESFUERZOS A FLEXIÓN DEL PATÍN
Si:
t
d >
lim
t
d =
Fb
760
Se debe reducir los esfuerzos Fb en el patín AISC 1.10.6
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Con:
Fb = 15.5 Ksi
lim
t
d =
5.15
760= 193.0
t
d = 50 193.0
max
t
d
= 91.25 < 193.0 Ok.
No se debe reducir los esfuerzos a flexión del patín para la esbeltez del alma
tanto en la sección A – A, B – B, como en la sección C – C.
2.3.4.6 DISEÑO A FLEXIÓN Y COMPRESIÓN DEL PATÍN
En la sección B – B de la columna.
Esfuerzo a compresión.
A
P fa
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2lg429.2
17.2172
pu
lbf fa
Ksi fa 894.0
Fa = 9.6 Ksi Esfuerzo permisible previamente establecido
09305.06.9
894.0
Ksi
Ksi
Fa
fa< 0.15
1
Fb
fb
Fa
faAISC 1.6.1.
Con:
Esfuerzos a flexión.
S
M fb
3lg126.6
lg.29.47610
pu
pulbf fb
Ksi fb 771.7
Ksi
Ksi
Fb
fb
53.15
771.7
5.0
Fb
fb
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Usando la relación.
Fb
fb
Fa
fa < 1
0.09305 + 0.5 < 1
0.593 < 1
En la cabeza (sección C – C) de la columna
Esfuerzos de compresión
Ksi fa 629.0
Fa = 6.8 Ksi Esfuerzo permisible previamente establecido
0925.08.6
629.0
Ksi
Ksi
Fa
fa < 0.15
1
Fb
fb
Fa
faAISC 1.6.1.
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Con:
Esfuerzos a flexión.
Ksi fb 850.4
Fb = 15.53 Ksi
31.0
Fb
fb
Usando la relación.
Fb
fb
Fa
fa < 1
0.0925 + 0.31 < 1
0.40 < 1
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2.3.4.7 ESFUERZOS PERMISIBLES AL CORTANTE EN EL ALMA Fv
Fv = CvFy
89.2 0.4 Fy AISC 1.10.5.2 Ecuación (2.18)
Cv =
2
45000
t
hFy
K Si: Cv < 0.8 AISC 1.10.5.2 Ecuación (2.19)
Cv =Fy
K
t
h
190Si: Cv > 0.8 AISC 1.10.5.2 Ecuación (2.20)
Con:
K =2
00.44
h
a
Si:h
a< 1.0 AISC 1.10.5.2 Ecuación (2.21)
K =2
00.434.5
h
a
Si:h
a> 1.0 AISC 1.10.5.2 Ecuación (2.22)
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Para:
a = 260 cm
h = 20 cm
t = 0.4 cm
a = 2.6 m pues no se prevé el uso de
atiesadores en el alma de la columna.
1320
260
h
a h
a > 1
K =
36.513
00.434.5
2
Cv = 466.136
36.5
50
190 > 0.8
Fv = Ksi26.18466.1
89.2
36
Fv = 0.4 Fy
Fv = 0.4 (36)
Fv = 14.4
18.26 > 14.4
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Como:
Fv > 14.4
Fv = 14.4
CORTANTE PROMEDIO AL ALMA fv
Sección A – A y B – B de la columna.
A
Q fv Ecuación (2.23)
cmcmx
Kgf fv
4.020
28.296
2035.37
cm
Kgf fv
Ksi fv 527.0
fv < Fv
0.527 < 14.4 Ok
En la cabeza (sección C – C) de la columna.
831.0 fv
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fv < Fv
0.831 < 14.4 Ok
USO DE ATIESADORES INTERMEDIOS EN EL ALMA
No se requiere de atiesadores intermedios si:
t
d < 260 Y fv < Fv AISC 1.10.5.3
Como:
Sección A - A Y B - B de la columna.
t
d = 50 < 260
0.527 Ksi < 14.4 Ksi
Sección C - C de la columna
t
d = 91.25 < 260
0.831 Ksi < 14.4 Ksi
No se necesitan colocar atiesadores intermedios en el alma de la columna
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2.3.5 DISEÑO DE LA VIGA DEL PÓRTICO
El diseño de la viga es similar a la de la columna.
En la figura N° 2.40 y la tabla N° 2.16 se presentas las cargas máximas,
dimensiones y propiedades de las secciones C – C, D – D, E – E, F – F
y G - G.
Fig. N° 2.40 Viga metálica
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Tabla N° 2.16 Cargas, dimensiones y propiedades de la viga
CARGAS DIMENSIONES PROPIEDADES
SECCIÓN M Nx Qx h ta b tp A Ix Iy rx ry SxKgf.m Kgf Kgf cm cm cm cm cm2 cm4 cm4 cm cm cm3
C – C 770.3 985.3 853.2 36.5 0.4 10 0.4 22.3 4123 66.7 13.6 1.7 225.9
D – D 440.9 527.2 728.9 20.0 0.4 10 0.4 15.7 1004 66.8 8.0 2.1 100.4
E – E 477.9 281.7 71.8 20.0 0.4 10 0.4 15.7 1004 66.8 8.0 2.1 100.4
F – F 460.3 296.9 133.0 26.0 0.4 10 0.4 18.1 1844 66.8 10.1 1.9 141.9
G - G 461.4 323.8 231.2 8.0 0.4 10 0.4 11.2 974 36.6 9.3 1.8 93.6
2.3.5.1 LONGITUDES NO ARRIOSTRADAS PARA LA VIGA
Longitud en el plano del alma Lx = 3.036 m
Longitud perpendicular al plano (separación entre correas) Ly = 0.98 m
Se supone que las correas dan soporte lateral.
LONGITUDES EFECTIVAS
Ky = 1
Kx = Depende de la rigidez de la viga – columna
GB = 1 Valor recomendado por la AISC
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GA =
Lc Ic
Lg Ig
Ecuación del Monograma de la AISC
GA = IcxLv
IvxLc
GA = m x
m
x
m x
m x
5.1036.3
6.2
10004.1
107387.9
45
46
GA = 0.55
K = 1.25 Del monograma de la AISC
Entonces:
Klx = 1.25 x 3.036 = 3.79 m
Klx = 1 x 0.98 = 0.98 m
2.3.5.2 ESFUERZOS PERMISIBLES A COMPRESIÓN
RELACIÓN DE ESBELTEZ
La relación de esbeltez del patín y del alma se presentan en la siguiente tabla,
si es o no efectivas en las secciones C – C, D – D, E – E, F – F y G – G.
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Tabla N° 2.17 Relación de esbeltez
SECCI N b/t PAT N d/t ALMAAISC 1.9.1.2 AISC 1.9.2.2
C – C 12.5 < 15.8 91.3 > 42.2D – D 12.5 < 15.8 50.0 > 42.2E – E 12.5 < 15.8 50.0 > 42.2F – F 12.5 < 15.8 65.0 > 42.2G - G 12.5 < 15.8 20.0 < 42.2
EFECTIVAS NO EFECTIVAS
REDUCCIÓN DE LOS ESFUERZOS PERMISIBLES A COMPRESIÓN Fa
La relación de los esfuerzos en las secciones consideradas se resumen en la
tabla.
Tabla N° 2.18 Valores de esfuerzos permisibles a compresión.
SECCI N d/t de Ae FaAncho rea Qa C'c Ksi Klx/rx Kly/ry
Efectivo EfectivaC - C 91.3 19.5 15.8 0.71 151.9 13.2 27.9 56.6D - D 50.0 17.6 15.1 0.96 130.6 17.9 47.4 47.6E - E 50.0 17.6 15.1 0.96 130.6 17.9 47.4 47.6F - F 65.0 18.5 15.4 0.85 138.8 15.9 37.5 51.0G - G 20.0 11.4 12.6 1.12 120.9 19.9 40.7 54.1
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2.3.5.3 ESFUERZO PERMISIBLE A FLEXIÓN Fb
PATÍN
A TENSIÓN
Fb = 0.6 Fy AISC 1.5.1.4.5
A COMPRESIÓN
Sección C – C, D – D, E – E, F – F y G - G.
Como:
5.12
t
b< 15.8
Si:
L Lc Fb = 0.6 Fy AISC 1.5.1.4.5. 2b
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Longitud critica no arriostrada lateralmente
Lc =Fy
bf 76AISC 1.5.1.4.5. 2b
Para la sección C – C, D – D, E – E, F – F y G - G.
bf = 10 cm ancho del patín
Entonces:
Lc =36
54.2
10776 x
Lc = 49.86 pulg
Lc = 126.7 cm
Como:
L = 0.98 m < Lc = 1.27 m
No existe la posibilidad de pandeo lateral torsional
Fb = 0.6 FyFb = 21.6 Ksi
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ALMA
RELACIÓN DE ESBELTEZ MÁXIMA Y REDUCCIÓN DE ESFUERZOS A LA
FLEXIÓN DEL PATÍN
La relación de esbeltez máxima presentada por el manual de la AISC para el
alma, la comprobación de esbeltez de las secciones C – C, D – D, E – E, F – F
y G – G; la reducción de esfuerzos a flexión del patín se presenta en la
siguiente tabla.
Tabla N° 2.19 Valores (d/t)
SECCI N (d/t) (d/t) (d/t)AISC 1.10.2 AISC 1.10.16
C - C 91.3 < 322 193.0D - D 50.0 < 322 193.0E - E 50.0 < 322 193.0F - F 65.0 < 322 193.0
G - G 20.0 < 322 193.0
2.3.5.4 DISEÑO A FLEXIÓN – COMPRESIÓN DEL PATÍN
Los esfuerzos a compresión en las diferentes secciones de la viga son:
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Sección:
C - C Ksicm
Kgf
A
P fa 629.0
28.22
28.985
2
D - D Ksicm
Kgf
A
P fa 478.0
68.15
23.527
2
E - F Ksicm
Kgf
A
P fa 256.0
68.15
69.281
2
F - F Ksicm
Kgf
A
P fa 234.0
08.18
99.296
2
G - G Ksicm
Kgf
A
P fa 411.0
2.11
81.323
2
Los resultados anteriores y la relación fa/Fa se presentan en la siguiente tabla
Tabla N° 2.20 Relación fa/Fa
SECCI N fa Fa fa/Fa
C - C 0.629 13.2 0.0476 < 0.15D - D 0.478 17.9 0.0274 < 0.15E - E 0.256 17.9 0.0147 < 0.15F - F 0.234 15.9 0.0147 < 0.15G - G 0.524 19.9 0.0206 < 0.15
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Esfuerzo de flexión
S
M fb y Fb = 0.6 Fy
Los resultados anteriores y la relación fb/Fb se presentan en la siguiente tabla
Tabla N° 2.21 Relación fb/Fb
SECCI N fb Fb fb/Fb
C - C 4.850 15.5 0.31D - D 6.246 15.5 0.40E - E 6.770 15.5 0.44
F - F 4.613 15.5 0.30G - G 7.007 15.5 0.45
Usando la relaciónFb
fb
Fa
fa < 1
Tabla N° 2.22 Usando la Relación fa/Fa + fb/Fb < 1
SECCIÓN Fa
fa
Fb
fb
Fb
fb
Fa
fa
C - C 0.0476 0.31 0.36 < 1D - D 0.0267 0.40 0.43 < 1E - E 0.0143 0.44 0.45 < 1
F - F 0.0147 0.30 0.31 < 1G -G 0.0206 0.45 0.47 < 1
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2.3.5.5 ESFUERZOS PERMISIBLES AL CORTANTE EN EL Fv
Fv = CvFy
89.2 0.4 Fy AISC 1.10.5.2
Cv =
2
45000
t
hFy
K Si: Cv < 0.8 AISC 1.10.5.2
CV =Fy
K
t
h
190Si: CV > 0.8 AISC 1.10.5.2
Con:
K =2
00.44
h
a
Si:h
a < 1.0 AISC 1.10.5.2
K =2
00.434.5
h
a
Si:h
a> 1.0 AISC 1.10.5.2
Los esfuerzos permisibles al cortante en el alma Fv en las secciones
consideradas se resumen en la tabla
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Tabla N° 2.23 Valores de esfuerzos permisibles al cortante Fv
SECCIÓN t h
ha K Cv Fv 0.4 Fy Fv
C - C 91.3 2.7 5.9 0.85 10.59 < 14.4 10.6D - D 50.0 4.9 5.5 1.49 18.56 > 14.4 14.4E - E 50.0 4.9 5.5 1.49 18.56 > 14.4 14.4F - F 65.0 3.8 5.6 1.15 14.32 < 14.4 14.3G - G 20.0 12.3 5.4 3.70 46.10 > 14.4 14.4
a = 0.98 m (se utiliza atiesadores de apoyo debajo de cada larguero a
distancia de 0.98 m)
CORTANTE PROMEDIO AL ALMA fv
Los valores del cortante promedio al alma fv de las secciones consideradas se
presentan en la tabla siguiente. A
Q fv
Tabla N° 2.24 Valores del cortante promedio fv < Fv
SECCIÓN Qx Aa A
Q fv
FvKgf Cm2 Ksi Ksi
C - C 853.2 14.6 0.831 < 10.6 OkD - D 728.9 8.0 1.296 < 14.4 OkE - E 71.8 8.0 0.127 < 14.4 OkF - F 133.0 10.4 0.182 < 14.3 OkG - G 231.2 3.2 1.028 < 14.4 Ok
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USO DE ATIESADORES INTERMEDIOS EN EL ALMA
No se requieren atiesadores intermedios
Si:
t
d < 260 y fv < Fv
Para las secciones consideradas se presenta en la siguiente tabla
Tabla N° 2.25 fv < Fv
SECCIÓN d t
t
d
< 260 fv < Fvcm cm Ksi Ksi
C - C 36.5 0.4 91.3 < 260 0.831 < 10.59D - D 20.0 0.4 50.0 < 260 1.296 < 14.4
E - E 20.0 0.4 50.0 < 260 0.127 < 14.4F - F 26.0 0.4 65.0 < 260 0.182 < 14.3G - G 8.0 0.4 20.0 < 260 1.028 < 14.4
No es necesario colocar atiesadores.
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2.3.6 DISEÑO DE LOS ATIESADORES DE APOYO
Se usarán dos atiesadores de apoyo en la viga, debajo de la ubicación de cada
uno de los largueros.
Fig. N° 2.41 Posición y dimensión de los atiesadores.
Propiedades:
A = (2)x(5)x(0.4)+(25)x(0.4) AISC 1.10.5
A = 14 cm2
= t b3
3
2Ecuación (2.24)
= 4.053
2 3
= 33.3 cm4
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Relaciónt
bde atiesadores
t
b=
4.0
5
Fy
76A.I.S.C. 1.9.1.2
t
b= 12.5 < 7.12
36
76 Ok
ESFUERZOS PERMISIBLES A COMPRESIÓN
Fa = 0.6 Fy A.I.S.C. 1.5.1.3.4Fa = 0.6 (36)
Fa = 21.6 Ksi
Esfuerzo a compresión fa
fa = A
P
Pmax = (0.98)x(70+6.072+30)
Pmax = 311.8 Kgf
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212
8.311
cm
Kgf fa
226
cm
Kgf fa
Ksi fa 369.0
fa < Fa
0.369 < 21.6 Ok
2.3.7 DISEÑO DE LA PLACA BASE DE LAS COLUMNAS
Fig. N° 2.42 Nomenclatura de la placa base.
Se asume:
H = 35.00 cm y B = 25 cm
Con:
d = 20.80 cm y b = 10 cm
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Las dimensiones de H Y B anteriores se asumen para permitir soldar tanto la
sección de la columna como las varillas del plinto en la placa base.
El esfuerzo permisible a flexión según las recomendaciones de la AISC es:
Fb = 0.75 Fy
Para el acero ASTM A-36
Fb = 0.75 (36000)
Fb = 27000 Psi
Fb = 1902.282
cm
Kgf
El esfuerzo permisible en el concreto por aplastamiento es Fc = 0.25f’c. [4]
Para un concreto f’c = 2102
cm
Kgf ; se asume este valor ya que es la
resistencia que se logra con el proporcionamiento más común del concreto.
Fc = 0.25 (210)
Fc = 52.502
cm
Kgf
(4) PARKER, H: Diseño Simplificado de Concreto Reforzado , capítulo 4, Pág. 80.
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El esfuerzo aplicado sobre el concreto es:
Fc = A
P
Fc = cm xcm
Kgf
2535
2.853
Fc =2
975.0cm
Kgf
Entonces
fc < Fc
0.975 < 52.5 Ok
Para el diseño de la placa base se supone que está sometido a un esfuerzo
uniforme, que se comporta como una viga en cantilever fija en los bordes de un
cuadrado limitado por las dimensiones 0.95 d y 0.8b.
Valores de m y n en la placa base
m = xd H 95.02
1 Ecuación (2.25)
m = 80.2095.0352
1
m = cm62.7
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n = b B 80.02
1 Ecuación (2.26)
n = 1080.0252
1
n = cm5.8
Momentos sobre la placa
M =
12
2
x LW
Ecuación (2.27)
L es igual a m para el momento M1 y
L es igual a n para el momento M2.
M1 = 2
62.7975.02
M1 = 28.3 Kgf.cm
M2 = 2
5.8975.02
M2 = 35.2 Kgf.cm
M2 > M1
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Esfuerzo a flexión en la placa
fb Fb
S
M fb
6
2
bt S
en la placa debe cumplirse fb Fb
Donde:
t = bFb
M 6Ecuación (2.28)
t =
12.1902
2.356 x
t = 0.33 Se usará 0.4 cm
Se usará una placa de 35 cm x 25 cm, con un espesor de 0.4cm.
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2.3.8 DISEÑO DE LARGUEROS
El diseño de los largueros se simplifica, suponiendo como una viga continua
sobre tres apoyos sometidos a una carga vertical uniformemente distribuida
debido a las cargas muertas y vivas como se observa en la figura.
Fig. N° 2.43 Esquema del larguero
De acuerdo al código de la AISC cuando los largueros están sometidos a carga
en un solo sentido se aplica la siguiente condición.
fb Fb
Donde:
S
M fb Ecuación (2.29)
Af
Ld
Cb x fb
31012
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donde:
L = distancia entre secciones no arriostradas en los largueros
d = peralte del larguero
Af = área del patín del larguero
Cb = constante que depende de la variación del momento
Cb = 1.75 + 1.05 x (2
1 M
M ) + 0.3 x (2
1 M
M )2 2.30 AISC 1.5.7
2.3.8.1 DETERMINACIÓN DE CARGAS
Cargas muertas
Peso de la cubierta = 4.82m
Kgf (0.98)x(3) m2 = 14.11 Kgf
Peso del larguero = 4.95m
Kgf Perfil G 100x50x15x3
Carga viva = 702
m
Kgf (0.98)x(3) m2 = 205.8 Kgf
Carga total por metro =
m
Kgf
m
Kgf 95.4
3
8.20511.14
= 78.3m
Kgf
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Considerando para el análisis, al larguero como viga continúa sobre tres apoyos
se puede determinar el momento máximo Fig. 2.44.
L = 3 m = 118.11 pulg
d = 10 cm = 3.93 pulg
Af = (5cm x 0.3 cm) = 1.50 cm2 = 0.23 pulg2
Fig. N° 2.44 Esquema del diagrama de momento para una viga continúa
sobre tres apoyos
Para el tramo A – B
8
2
max
WL M Ecuación (2.30)
8
33.78 2
max
mmKgf
M
mKkf M .0875.88max
S = 19.60 cm3 Perfil G 100x50x15x3
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360.19
.75.8808
cm
mKgf fb
2426.449
cm
Kgf fb
Ksi fb 395.6
Para Fb
Con:
Cb = 1.75 + 1.05 (2
1 M
M ) + 0.3 (2
1 M
M )2 Ecuación (.31)
M1 = 0
M2 =8
1w L2
Cb = 1.75
Fb =
Af Ld
Cb x3
1012Ecuación (2.32)
Fb = 10.4 Ksi
fb Fb
6.39 < 10.4 Ok
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2.3.9 UNIONES SOLDADAS
2.3.9.1 COLUMNA A PLACA BASE
Carga cortante máxima
Qx = 206.28 Kgf
ESFUERZO PERMISIBLE EN LA SOLDADURA
Para filetes el menor de:
1.- Fv = 0.3 Ft Para el metal de soldadura y Ecuación (2.33)
2.- Fv = 0.4 Fy Sobre el metal base A.I.S.C. 1.5.3 Ecuación (2.34)
Con E-7018 y Acero ASTM A-36
Fv = 0.3 (70)
Fv = 21.00 Ksi
Fv = 0.4 (36)
Fv = 14.40 Ksi
Fv = 14.4 ksi
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TAMAÑO MÍNIMO DE FILETE
Para:
e = 0.4 y e = 0.4 cm
tmin = lg16
3 pu = 4.8 mm A.I.S.C. 1.17.2
Se usará t = 5.00 mm
LONGITUD DE FILETE NECESARIO
Con:
A
Q fv Ecuación (2.35)
A = L (0.707) t
23535.0
28.206
cm L
Kgf
fv
fv Fv
Fv = 14.4 Ksi
Fv = 10152
cm
Kgf
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L =)3535.0(1015
28.206
L = 0.57 cm
Se soldara L = 10 + 10 + 20 = 30 cm > 0.57 cm Ok
2.3.9.2 UNIÓN DE LA PLACA A LAS VARILLAS DE ANCLAJE
Esfuerzo permisible al cortante
Fv = 0.4 Fy A.I.S.C. 1.5.1.2.
Fv = 0.4 (2400)
Fv = 9602
cm
Kgf
Área unitaria de cada varilla
Au =4
2 Ecuación (2.36)
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Área total
At = Au (n) Ecuación (2.37)
Donde:
n = es el número de varillas
fv < Fv
Fv =n Au
P
)(
Ecuación (2.38)
n = Fv Au
P
)( Ecuación (2.39)
Las varillas de anclaje son de 12 mm
Au =4
)2.1(2 cm
Au = 1.13 cm2
Número de varillas n =)( AuFv
PEcuación (2.40)
n =)13.1(960
28.853
n = 0.786
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Se usarán 4 varillas para soldar la placa base 4 > 0.786 Ok
Fig. N° 2.45 Ubicación del perfil en la placa base y varillas.
Fig. N° 2.46 Esquema de la soldadura de las varillas a la placa base.
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2.3.9.3 JUNTAS PATÍN – PATÍN
Se usarán soldaduras de ranura de penetración total en todas las secciones
necesarias
Fig. N° 2.47 Esquema de la soldadura de las juntas patín – patín.
En la sección C - C
Mmax = 770.34 Kgf.m
Nmax = 985.28 Kgf
Esfuerzos a tensión y a compresión
ft o A
P fa
3.22
28.985 fa
218.44
cm
Kgf fa
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Esfuerzo por flexión
S
M fb
)100(9.225
34.770 x fb
20.341cm
Kgf fb
Esfuerzo total
f = ft + fb
f = 44.18 + 341.0
f = 385.18 2cm
Kgf
Esfuerzos permisibles
Para soldaduras de penetración total, tensión o compresión normal al área
efectiva, el esfuerzo permisible es igual al metal base AISC 1.5.3
Ft = 0.6 Fy
Ft = 15222cm
Kgf
385.18 < 1522
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Con otras secciones y cargas a compresión, puesto que los esfuerzos
permisibles en la soldadura son igual al metal base, se cumple que.
ft < Ft Ok y
fa < Fa Ok.
2.3.9.4 JUNTAS ALMA - ALMA
Se usará soldadura de penetración total para todas las juntas alma - alma
necesariamente.
Fig. N° 2.48 Junta alma – alma.
Los esfuerzos en el alma son menores que los esfuerzos del patín, sea para
esfuerzos a tensión como para compresión.
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Esfuerzos permisibles para ranura de penetración total
Los esfuerzos permisibles a tensión y compresión en la soldadura son igual al
metal base AISC 1.5.3
ft < Ft Ok y
fa < Fa Ok.
Los esfuerzos en el alma para cortante son pequeños
fv < Fv Ok
2.3.9.5 JUNTAS PATÍN - ALMA
Se usará filete alternados para la unión del patín con el alma (Fig. 2.52)
Sección en la base de la columna (A - A)
Fig. N° 2.49 Junta patín – alma
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Filete mínimo t = 0.47 cm A.I.S.C. 1.17.2
Se usará t = 0.5 cm
Esfuerzos permisibles:
Fv = 14.4 ksi
Fv = 1014.82
cm
Kgf
Flujo cortante en la unión del alma al patín
I
QJ q Ecuación (2.41)
Donde:
Q = cortante
J = A (Y)
I = momento de inercia
J = ( 10 x 0.4) x
4.0
2
20
J = 41.6 cm3
Con:
Qmax = 206.28 Kgf
1004
)6.41(28.206 xq
cm
Kgf
q 5.8
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Flujo cortante admisible
t Fvqadm)707.0( Ecuación (2.42)
5.0)707.0(8.1014 x xqadm
cm
Kgf qadm 18.355
8.5 < 355.18 Ok
Para otras secciones, los cortantes Qx son menores al crítico, se usarán filete
de t = 0.5 cm a lo largo de la columna y de la viga.
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151
CAPÍTULO III
FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LA ESTRUCTURA
3.1 INTRODUCCIÓN
La construcción y montaje de una estructura metálica en los tiempos actuales así
como todas sus directrices técnicas tienen un solo objetivo, y es el de reducir al
máximo los riesgos imprevisibles cuyo efecto es directo en los altos costos
envueltos en la obra. Esto crea la necesidad de cumplir con los plazos previstos
en el cronograma – meta inicial, determinando así la mayor importancia de los
mecanismos de de planificación.
Este estudio enfoca la técnica de ampliar la planificación para coordinar las
diferentes actividades de la obra; y controlar la ejecución conforme a diseños,
especificaciones y planos elaborados certificados del proyecto, materiales,
equipos y todos los medios necesarios para la ejecución de los trabajos dentro de
los plazos programados.
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152
3.2 FLUJO-GRAMA GENERAL DE LA FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LA
ESTRUCTURA
El proceso de fabricación y montaje en las actividades industriales para el tipo de
construcciones estructurales se les representan por medio de un flujo-grama, el
mismo que es utilizado por casi todas las compañías y profesionales
constructores.
Este proceso es sumamente importante para la culminación ideal de los proyectos
industriales. El elaborar un flujo-grama correcto es de mucha ayuda para la
optimización de recursos: humanos, tecnológicos y económicos, así como el
recurso tiempo.
La simbología utilizada en el flujo-grama elaborado para la construcción de la
Estructura Metálica para el Bar de la Facultad de Ingeniería Mecánica se indica a
continuación.
Almacenamiento
Actividad a ralizar
Transporte
Inspección
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153
FLUJO-GRAMA DETALLADO DE FABRICACIÓN Y MONTAJE DE LA ESTRUCTURA METÁLICA
Recepciónmateriales
Descargamateriales
Inspecciónmateriales
Transporte aalmacenaje temporal
Inspecciónde corte
Corte
Transporte alsitio de corte
Almacenamientotemporal
Transporte al sitiode prearmado
ALMAS DE COLUMNA Y VIGA PATINES DE COLUMNA Y VIGA RIGIDIZADORES PLACA BASE LARGUEROS
Almacenamientotemporal
Transporte alsitio de corte
Corte
Inspecciónde corte
Transporte al sitiode prearmado
Almacenamientotemporal
Transporte alsitio de corte
Corte
Inspecciónde corte
Transporte al sitiode prearmado
Almacenamientotemporal
Transporte alsitio de corte
Corte
Inspecciónde corte
Transporte al sitiode suelda en columnas
Almacenamientotemporal
Transporte alsitio de corte
Corte
Inspecciónde corte
Transporte al sitiode prearmado
Pintura
Transporte alsitio de montaje
Prearmado
Transporte a soldadurade los pórticos
Soldadura alos pórticos
Inspecciónde suelda
Transporte alsitio de pintura
Pintura
Transporteal montaje
Montaje delos pórticos
Montaje de
los largueros
Sulda encolumnas
Transporte al sitiode montaje de pórticos
Inspecciónde montaje
soldadura finalde todo el pórtico
Pintura final detodo el pórtico
Inspecciónfinal
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154
Para el proceso de fabricación es necesario distribuir técnicamente las áreas y los
espacios disponibles de acuerdo a las necesidades y volúmenes de las piezas o
partes a ensamblarse.
En el caso del bar, se hizo en una empresa de estructuras metálicas, donde facilitó
para la distribución de las actividades que interviene en el proceso constructivo
(Fig. N°3.1).
ALMACENAMIENTO
DESPACHOPINTURASULDA
ARMADO CORTE
Fig. N°3.1 Distribución de actividades
3.3 FABRICACIÓN
3.3.1 TRAZADO
Para realizar un correcto trazado lo que se necesita es tener las coordenadas en
los ejes X y Y, con las que se dibujo en el plano y poder realizar las plantillas de
las sesiones que conforman el alma.
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155
Pero para el trazado se dibuja la mitad del pórtico ya que la estructura es simétrica
y facilita su manipulación previa al proceso de armado.
3.3.2 PROCESO DE CORTE
En el proceso de corte para las distintas secciones se optó por algunos procesos
como se detallan a continuación.
El corte por cizallamiento se realizó mediante una máquina eléctrica que es
sometido al material grandes presiones este tipo de corte lo utilizamos para los
componentes rectos de la estructura como es el patín, placas base, unas partes
del alma y atiesadores. Este proceso se eligió por el gran ahorro de tiempo.
El corte mediante oxiacetilénico se realiza calentando las superficies, por medio de
llama producida en un mechero especial llamado soplete que es obtenida por la
combustión de acetileno con oxigeno, este proceso se realiza de manera manual o
semi - automatizado. Pero en este proyecto se utiliza manualmente para realizar
de acuerdo al diseño elaborado previamente a través de plantillas colocadas sobre
la plancha de acero que será señalada con una tiza refractaria para ir cortando por
las líneas trazadas siendo uno de los métodos mas útiles en el medio para el
corte de las planchas de acero en la fabricación de las estructuras metálicas. Este
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156
proceso se utilizó para las partes curvas que unen la viga y la columna del pórtico
como también las circunferencias de la viga.
El corte por discos abrasivos de eje o tronzadoras es utilizado con frecuencia en
los talleres industriales y artesanales, para el proyecto se utilizo mediante una
amoladora que son cortados los componentes de la estructura como los largueros
y apoyos, después del proceso de corte se preparan las piezas para las juntas,
realizando biseles apropiados para cada una de ellas.
3.3.3 ARMADO
Una vez ya realizado el trazado y el corte, se preparan las partes para el armado,
realizando una respectiva limpieza, de las piezas para ubicarlas sobre el pórtico
trazado.
Verificando que las dimensiones y formas coincidan con las plantillas, realizando
un trazado en la mitad del patín con el objetivo de centrar el alma
perpendicularmente entre las dos partes, utilizando bases de apoyo, prensas
escuadras, nivel, etc.
Se procede a realizar los puntos de suelda que es la unión por soldadura entre
dos piezas de igual o de distintos materiales, por medio de una fusión de estos
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materiales al calentarse, este proceso es muy utilizado para estructuras metálicas
ya que la mayoría de los materiales utilizados para este fin son soldables, la
facilidad de aplicación y el ahorro de tiempo en el montaje, en el proyecto se utiliza
la soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido, los mismos que permiten la
unión de las secciones para poder armar el alma con el patín y obtener la
sección I.
Ya obtenida la concentricidad y perpendicularidad así como la verificación de sus
dimensiones exactas se procede a la soldadura en su totalidad.
3.3.4 PINTURA
Este proceso es importante ya que de este depende evitar la corrosión de los
materiales metálicos de la estructura; pero el que se utiliza en el proyecto es el
más acogido en nuestro medio por la aplicación de aire comprimido y también es
el más recomendable para este tipo de estructura.
El proceso de aplicación debe ser el siguiente: limpieza de partículas (polvo),
desoxidante y desengrasado, aplicación de fondo industrial (anticorrosivo), aplicar
la pintura de acabado y dejar secar por lo menos 60 minutos al tacto.
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3.4 MONTAJE
Para realizar el montaje de la estructura metálica se utilizó un poste - grúa que
contiene un tubo cuadrado, una polea compuesta en la parte superior, un gancho
de carga y tirantes posteriores móviles para poder mover al poste.
Se utilizó este método por el espacio físico que se disponía, ya que no se puede
ingresar grúas, plataformas hidráulicas o grúa montada sobre un camión al lugar
de construcción por que es muy pequeño el lugar donde se va a desarrollar el
montaje, debido a la disposición del mecanismo, su fácil instalación, económico y
ahorro de tiempo se optó por un poste grúa.
Para obtener un correcto montaje se procede a la nivelación de las placas base en
el replantillo que servirán de apoyo para las columnas del pórtico.
Una vez ya nivelada las placas se llevará el pórtico en los trazos realizados
anteriormente y se procede a realizar puntos de suelda, a su sujeción y nivelación,
para dar la perpendicularidad del pórtico.
El pórtico se lo llevó en una sola pieza por las condiciones físicas, tiempo, y la
económica que brinda este mecanismo ya que el proyecto no es tan grande para
montar de pieza en pieza.
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Mientras tanto que para los largueros que son muy importantes para la fijación de
los pórticos fueron levantados por medio de cuerdas y así poder dar el paralelismo
y la perpendicularidad adecuada en la estructura metálica.
Cuando la estructura ya está nivelada se procede a rematar o dar el cordón de
soladura definitivo y repintar las partes que se han afectado por el calor de la
soldadura de las respectivas piezas.
Y por último se procede a una inspección final de toda la estructura metálica para
el Bar de la Facultad de Ingeniería Mecánica (UNITA), verificando las dimensiones
correctas y la calidad de la misma para obtener el visto bueno del Director del
Proyecto Profesional de Grado quien a la vez es el Director Técnico de la obra.
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CONCLUSIONES
En el diseño estructural se distribuye y se dimensiona los elementos de la
estructura para que soporten satisfactoriamente las cargas a las que estarán
sometidas. El proyecto estructural consiste en la definición de las condiciones de
carga, análisis estructural (cálculo de esfuerzos y deflexiones), el diseño de los
elementos de la estructura, la preparación de planos de detalle y especificaciones
para la construcción de la obra. Los criterios generales que se emplean son:
En el diseño generalmente los esfuerzos no están muy cerca del factor 1, pero es
con el fin de darle una mayor resistencia a la estructura, ya que en algunos casos
no gobierna el diseño o la resistencia, sino la rigidez.
Cuando se diseña perfiles con factores de 0.6, 0.5 o menores, aparentemente está
un poco sobre dimensionado pero en cambio da la garantía de una estructura
rígida.
El diseño de este tipo de estructuras con placas armadas en frío es más laborioso
por que se deben hacer tantas comprobaciones de las relaciones de esfuerzos
combinados; pero si fueran perfiles laminados en caliente no se hiciera tanta
comprobación para su respectivo diseño.
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El diseño no solo se basa en la resistencia, rigidez de los materiales y secciones
sino también en la facilidad constructiva debida a ésta, la estructura se diseñó con
pocas secciones, lo que llevó a minimizar el número de cortes y plantillas usadas
para la construcción.
La estructura construida es funcional y segura porque su diseño se realizó
basándose en métodos, suposiciones y normas nacionales e internacionales
reconocidos del diseño estructural.
Para el cálculo y diseño de este tipo de estructuras en Acero Estructural nos
dará la pauta para la realización de los diferentes proyectos de nuestra vida
profesional, con el aprendizaje de las estructuras metálicas que no son muy típicas
en la construcción y cálculo de las mismas con la ayuda de los diferentes
programas.
Los diferentes diseños han sido realizados basándose en los códigos y
reglamentaciones de los diferentes Códigos como: la AISC, Código Ecuatoriano
de la Construcción.
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RECOMENDACIONES
Al igual que en los países más desarrollados, el constructor ecuatoriano está cada
vez más conciente de las ventajas de utilizar el acero como sinónimo de
versatilidad, rapidez, facilidad de ejecución y economía.
Esto ha generado en nuestro país un auge la producción de perfil de acero, y en
especial a motivado la necesidad de una mayor diversificación de estos, así como
nuevas tecnologías para mejorar la calidad de los mismos.
La seguridad se relaciona con la resistencia y la serviciabilidad por cuanto a la
estructura además de resistir las cargas, se debe tener deflexiones y vibraciones
que no sean excesivas para alarmar a sus ocupantes o producir efectos no
deseables.
La facilidad es el diseño de estructuras que puedan fabricarse y montarse sin
problemas, para lo cual es importante el conocimiento sobre el detallado, esto es
las tolerancias y márgenes en el trabajo de taller y campo.
En lo que se refiere a la estructura se debe dar el respectivo mantenimiento para
así lograr que se encuentre en estado óptimo de conservación, para evitar la
corrosión y desgaste de lo elementos, puesto que la acumulación de los diferentes
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materiales que se pueden dar en posibles erupciones volcánicas y acumulación de
granizo.
Es recomendable, utilizar la estructura metálica por su fácil transportación ya que
la misma fabrica o taller de adquisición se encargará de esto y con los planos
respectivos se puede trabajar y dejar listo para su anclaje, para luego trasladar al
sitio de la obra.
Y por ultimo la Universidad Ecuatoriana debe presentar un papel de liderazgo
fundamentando los estudios e investigaciones encaminadas en ese sentido y
actualizando sus cátedras de tal forma que el profesional ecuatoriano este al día y
pueda a su vez participar en ese desarrollo.
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