Proyecto básico: Diseño de la estructura de correas

Proyecto básico: Diseño de la estructura de correas
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Proyecto básico: Diseño de la estructura de correas
Se facilita la información necesaria para el diseño de la estructura de correas de un
edificio de pórticos de acero. Se proporcionan los detalles de la interacción entre correas y
cubierta.
Índice
1.
Introducción: Función de las correas
2
2.
Diferentes tipos de correas
5
3.
Interacción entre correas y cubierta
9
4.
Correas continuas
13
5.
Conexión de las correas a la estructura principal
18
6.
Tirantillos y presillas
20
7.
Características de las acciones
23
Página 1
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1.
Introducción: Función de las correas
1.1
Función básica
La función principal de las correas de cubierta, es transferir las fuerzas de la cubierta de un
edificio a su estructura principal. Las correas de fachada cumplen la misma función en las
fachadas. Las correas son componentes importantes en la estructura secundaria de un edificio.
Hay que señalar que en un gran número de estructuras de edificios de una sola planta, el peso
de las correas, constituye un elemento importante en términos del peso total de la estructura
(15 a 20%); el no optimizarlas, podría llevar a perder un contrato en un situación altamente
competitiva.
Las correas de un edificio se diseñan de acuerdo al tipo de cubierta a utilizar. El tipo de
cubierta, en particular, influye directamente en el espaciamiento entre correas; puede incluso,
determinar el tipo de interacción que podemos esperar para dimensionar las correas (véase la
Sección 3).
La estructura de correas no sólo incluye en las correas en si mismas (véase los diferentes tipos
en la Sección 2), sino también en los empalmes que permiten tener continuidad en las correas
(véase la Sección 4), los ejiones que unen las correas a la estructura principal (véase la
Sección 5), tirantillos y presillas, que mantienen las correas lateralmente (véase la Sección 6).
Las cargas a considerar (véase mayor información al respecto en la Sección 7) son
principalmente:
‰ el peso de la cubierta, las correas y sus accesorios;
‰ el peso de cualquier equipo soportado por la cubierta;
‰ la sobrecarga suspendida interiormente (por ejemplo, el sistema de rociadores,
iluminación, etc.);
‰ la carga para mantenimiento de la cubierta;
‰ nieve;
‰ viento.
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Bajo cargas gravitatorias (peso propio, nieve,
mantenimiento, etc.), la correa está sujeta a flexión
alrededor del eje principal, y a flexión lateral del ala
superior (donde se aplica la carga) la cual puede o no
desarrollarse, dependiendo de la función que cumple la
cubierta.
Figura 1.1
Bajo cargas ortogonales a la inclinación de la cubierta
(viento, cargas ascendentes o descendentes), la correa
está sujeta a flexión alrededor del eje principal de
inercia de su sección.
Cargas sobre la correa
Nota: En la Figura 1.1, la correa está representada con el alma perpendicular a la inclinación
de la cubierta, que es el caso más habitual. Es muy raro que las correas se utilicen con
el alma vertical: esto significaría colocar la cubierta sobre cuñas con bisel.
1.2
Correas como puntales
En adición a la función principal descrita anteriormente, las correas pueden cumplir la función
de transmitir la carga de viento desde los hastiales a la viga de contraviento (si la viga de
contraviento no está situada en el paño adyacente a los hastiales) (véase la Figura 1.2.).
En adición a la flexión originada por su principal función, las correas están sujetas a fuerzas
directas, ya sean de compresión o tracción, la cuales pueden ser excéntricas.
A
1
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
M
2
M
M
B
3
F1
1
2
3
F8
Dirección del viento
Doble correa en la cumbrera
Correas de alero
Figura 1.2
Cubierta de un edificio – Vista en planta
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En la Figura 1.2, las fuerzas representadas son las cargas aplicadas, bajo el efecto del viento,
por los pilarillos que sostienen el hastial en la alineación F1, el cual se apoya en la cabeza en
algunas correas. Bajo el efecto de estas fuerzas, las correas trabajan como puntales a
compresión, las cuales están dibujadas en azul y marcadas con B. Las correas que trabajan
como puntales de la viga de cubierta a contraviento están dibujadas en rojo y están marcadas
con la letra M (véase la Sección 1.3).
Podría ser que, bajo la misma condición de viento (la misma dirección y sentido), la
estructura que sostiene el hastial en el eje F8 (sotavento) ejerce una fuerza de tracción en las
correas que la sostienen: este efecto no está representado en la Figura 1.2, pero debe incluirse,
particularmente en el cálculo de la viga a contraviento.
Nuevamente, observamos en la cumbrera, entre los ejes A y B, una doble correa: una correa
de cumbrera en la parte superior de cada alero, que es la distribución usual, la cual suministra
la mejor forma de apoyar la cubierta.
Si queremos evitar que las correas trabajen como puntales, podemos colocar puntales
separados entre las cabezas de los pilarillos que sostienen el hastial y la viga de contraviento
(véase la Figura 1.3).
1
2
3
1
2
3
4
Correa-puntal
Viga del pórtico del hastial
Pilarillo del hastial
Puntal separado
Figura 1.3
1.3
4
Transmisión con o sin correa-puntal
Correas puntal de viga de viento
Las correas pueden cumplir la función de trabajar como puntales de la viga de contraviento de
la cubierta. Véase, en la Figura 1.2, las correas puntal de la viga de cubierta a contraviento,
marcadas con la letra M y dibujadas en rojo. Las correas, al trabajar como apoyo de las vigas
de contraviento, pueden estar muy comprimidas: las diagonales ubicadas en la forma de cruz
de San Andrés, están normalmente dimensionadas así, sólo para resistir fuerzas de tracción,
por esta razón, los puntales estarán comprimidos.
Si queremos evitar que las correas trabajen como puntales de la viga de contraviento, se
pueden utilizar elementos separados (frecuentemente tubos) para cumplir esta función,
particularmente cuando la fuerza de compresión en los puntales de la viga de contraviento es
importante (zonas con grandes vientos, viga de contraviento con paños grandes)
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1.4
Estabilizar los elementos de la estructura principal
Las correas de cubierta de un edificio, frecuentemente cumplen la función de proveer
estabilidad lateral a los elementos de la estructura principal (viga de pórtico, por ejemplo).
Las correas pueden estabilizar el ala de la viga del pórtico (o el cordón de la viga de celosía)
sobre la cual está apoyada (generalmente el ala superior de un pórtico interior del edificio).
Todas las correas que se apoyan contra la viga de contraviento de cubierta pueden
considerarse como puntos fijos; a fin de considerar las otras correas como puntos fijos,
tenemos que considerar la cubierta actuando como un diafragma (véase mayor información en
la Sección 3)
Las correas, también pueden utilizarse para estabilizar la parte inferior de la viga del pórtico
(o el cordón inferior de la viga de celosía): se utilizan arriostramientos como los mostrados en
la Figura 1.4.
Arriostramiento a un sólo lado: no se crea un apoyo
adicional para la viga; el diagrama estático no se
modifica. La viga está estabilizada mediante una fuerza
que se origina por el ala que está sujeta.
Arriostramientos a ambos lados de la viga; la sostienen
lateralmente, éstas crean un apoyo adicional a la viga.
Las denominamos “vigas arriostradas”.
Arriostramiento del cordón inferior de la viga de celosía
con arriostrado apoyado en la correa (arriostramiento en
cruz de San Andrés)
Figura 1.4
2.
Estabilización lateral de la estructura mediante correas
Diferentes tipos de correas
Uno de los elementos de diseño de la estructura de correas es el tipo de correa seleccionado.
Como regla general, la selección se hace entre vigas laminadas en caliente, frecuentemente
IPEs, y correas conformadas en frío. Las correas a base de celosías se utilizan raramente.
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Esta selección, si se deja al constructor de la estructura de acero, está basada más en la
organización de la producción que en una selección asociada con el diseño del producto.
Tanto las correas IPE como las correas conformadas en frío, pueden en efecto, cumplir las
mismas funciones.
Las correas conformadas en frío y los accesorios respectivos, frecuentemente están diseñados
y fabricados por un fabricante especializado que cuenta con perfiladoras: el constructor
responsable de la estructura de acero de un edificio adquiere las correas de alguno de estos
fabricantes. Sin embargo, usualmente, las correas IPE las diseña y fabrica el constructor de la
estructura principal. Uno de los criterios para elegir entre las dos opciones depende de la
carga de trabajo del constructor en su taller: si está muy ocupado, preferirá comprar las
correas conformadas en frío; si no, preferirá fabricarlas el mismo.
Cualquiera que sea el tipo de correa que se utilice, el tipo de cubierta determina el
espaciamiento máximo entre correas. Los documentos que explican el comportamiento de los
productos para cubiertas, generalmente proporcionan tablas para determinar la luz máxima
libre (y de esta manera, el máximo espaciamiento entre correas) dependiendo de la carga en el
vano.
El tipo de aislamiento térmico de la cubierta, si se instala dentro del edificio, puede influir en
la elección de la correa: espaciamiento, canto mínimo de la sección, …
2.1
Correas laminadas en caliente (IPE)
El rango de vigas IPE de poco canto (hasta aproximadamente IPE 240) se utiliza ampliamente
para hacer correas.
En la Tabla 2.1, se dan pautas para la elección de una sección IPE, dependiendo de la luz de la
correa (variando entre 5 a 10 m) y de la carga lineal por metro de la correa en ELS.
Estas pautas están basadas en el criterio de flecha de L/200 de la luz en ELS, y en el criterio
de resistencia bajo una carga 1,5 veces la carga en ELS. El criterio de resistencia asumido
cuando se alcanza la capacidad elástica bajo flexión simple de la sección considera lo
siguiente:
‰ Acero S235
‰ No existe reducción del momento en el apoyo debido a la presencia de empalmes.
‰ No se aplica fuerzas directamente en la correa (no cumple la función de puntal)
‰ Coeficientes parciales de seguridad:
γM0 = γM1 = 1,0
‰ No se toman en cuenta las flexiones laterales
‰ No existe pandeo lateral torsional
Las dos últimas suposiciones dependen, en particular, del método utilizado para la
estabilización lateral de las correas (función de la cubierta: véase la Sección 3; correas
acopladas: véase la Sección 6).
Por consiguiente, las opciones mencionadas en la Tabla 2.1 proporcionan una guía
aproximada (de ninguna manera reemplazan los cálculos que justifican la resistencia de las
correas).
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En la Tabla 2.1, la nota (f) distingue entre casos en los cuales el criterio de flecha conduce a la
selección de una sección superior a la originada por el criterio de resistencia: esto ocurre
sistemáticamente – o casi – en configuraciones “de correas estáticamente determinadas”, así
como también en configuraciones “continuas” para grandes luces. Debe observarse que el
criterio de flecha puede volverse predominante en la mayoría de casos con acero del tipo
S355.
También podemos observar en la tabla que, haciendo las correas continuas, sistemáticamente
da como resultado una reducción de la sección.
Tabla 2.1
Elección de una sección de correa en el rango IPE
Tamaño IPE, para sobrecarga
Luz
5m
6m
7m
8m
9m
10 m
1,0 KN/m
1,5 KN/m
2,0 KN/m
2,5 KN/m
Estáticamente
determinada
IPE 100
IPE 120 (f)
IPE 120 (f)
IPE 140
Continua
IPE 100
IPE 100
IPE 100
IPE 120
Estáticamente
determinada
IPE 120 (f)
IPE 140 (f)
IPE 140
IPE 160 (f)
Continua
IPE 100
IPE 120
IPE 120
IPE 140
Estáticamente
determinada
IPE 140 (f)
IPE 160 (f)
IPE 160 (f)
IPE 180 (f)
Continua
IPE 120
IPE 120
IPE 140
IPE 160
Estáticamente
determinada
IPE 160 (f)
IPE 180 (f)
IPE 180 (f)
IPE 200 (f)
Continua
IPE 120
IPE 140
IPE 160
IPE 160
Estáticamente
determinada
IPE 180 (f)
IPE 200 (f)
IPE 200 (f)
IPE 220 (f)
Continua
IPE 140 (f)
IPE 160 (f)
IPE 180 (f)
IPE 180
Estáticamente
determinada
IPE 180 (f)
IPE 200 (f)
IPE 220 (f)
IPE 240 (f)
Continua
IPE 160 (f)
IPE 180 (f)
IPE 180
IPE 200
Nota.: En la tabla, las correas continuas tienen por lo menos 4 apoyos.
Leyenda -(f)-: El criterio de flecha gobierna el diseño.
Nota: En algunos países, las correas IPE están diseñadas como un “sistema Gerber” con rótulas ubicadas de tal manera a fin
de obtener momentos iguales en los apoyos y en el vano (generalmente una rótula en cada vano).
2.2
Correas conformadas en frío
2.2.1 Generalidades
Generalmente, las correas conformadas en frío se fabrican perfilando una chapa de acero, un
proceso de fabricación utilizado para obtener todas las formas posibles. Sin embargo, las
principales formas de sección utilizadas para correas son las formas Σ (sigma) y Z (zeta).
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b
h
SIGMA
Figura 2.1
Z
Secciones de correas conformadas en frío
Para formas Σ y Z, el rango de cantos y espesores es más o menos el mismo:
‰ Canto h de la sección, entre 140 y 350 mm
‰ Espesor del perfil laminado, entre 1,5 y 4 mm
Frecuentemente, la anchura del ala b, es alrededor de 70 mm. Debe notarse que para correas
Z, las anchuras del ala superior e inferior difieren ligeramente, a fin de hacer que las correas
sean continuas, encajándolas entre sí.
Mientras que para correas de secciones laminadas en caliente, la luz generalmente no excede
de 10 m, para secciones conformadas en frío, la luz puede alcanzar hasta 12 o 15 m,
permitiendo reducir el número de pórticos. Estos valores relativos a las luces pueden variar de
un país a otro.
2.2.2 Sistemas propietarios
Normalmente, las correas conformadas en frío, son suministradas como sistemas propietarios
que vienen con especificaciones del fabricante. Los datos de diseño se calculan generalmente
utilizando modelos empíricos basados en un amplio programa de ensayos. Estos ensayos
toman en cuenta la dirección de la carga (hacia abajo o arriba) y la interacción entre la chapa
de cubierta y las correas.
Cuando se utilizan sistemas propietarios, generalmente, es suficiente que el ingeniero
estructural seleccione la sección apropiada de las tablas o software carga/luz del fabricante sin
realizar verificaciones de diseño adicionales de la resistencia de la correa. Este enfoque se
justifica por el hecho de que los fabricantes han efectuado ellos mismos la necesaria
evaluación estructural (por análisis, ensayos, o una combinación de análisis y ensayos) en
concordancia con los códigos, normas y regulaciones pertinentes.
2.3
Correas en celosía
Son utilizadas en pocas ocasiones.
Las correas en celosía con cordones paralelos pueden diseñarse, como se muestra en la
Figura 2.2. Los principales problemas involucrados en el diseño de este tipo de correas, son
los asociados al diseño de toda viga de celosía:
‰ Control de momentos flectores secundarios causados por:
¾
La continuidad de barras o el extremo restringido de barras.
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¾
Cualquier excentricidad en los diagramas de las fuerzas internas.
¾
Cargas aplicadas entre nudos.
‰ Control de movimientos adicionales debidos a la holgura en las uniones atornilladas
La razón L/H es aproximadamente 15.
H
L
Figura 2.2
Correa en celosía
En la sección de correas en celosía, se puede clasificar la vigas triangulares que sostienen una
cubierta en dientes de sierra (véase la Figura 2.3), extendiéndose entre las vigas principales de
celosía: este diseño aún se utiliza en talleres (por ejemplo: industria automotriz). En la cara
norte, la cubierta de vidrio inclinado proporciona iluminación efectiva natural.
2
3
4
N
1
1
2
3
4
Correa en celosía
Cubierta de vidrio
Cubierta opaca
Viga de celosía principal
Figura 2.3
3.
Correa en celosía en cubierta de dientes de sierra
Interacción entre correas y cubierta
Otro parámetro principal en el diseño de la estructura de correas es la función que cumple la
cubierta, ¿puede utilizarse la cubierta para estabilizar las correas lateralmente?
Es importante que la opción seleccionada sea claramente definida en la documentación
contractual, particularmente si la construcción de la estructura de acero, por un lado, y la de la
cubierta, por otro, se encargan a diferentes compañías (lo cual es frecuente en ciertos países,
especialmente Francia) Tal esclarecimiento en el contrato, permite a todos aquellos
involucrados, tomar las mismas suposiciones.
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3.1
Caso en donde la cubierta está hecha con chapas de
acero, combinadas o no con otros materiales, y
atornillada a las correas
La estabilización de las correas en cubierta se trata en el Eurocódigo EN 1993 1-3.
Si la documentación contractual excluye tal uso para la cubierta, la construcción se denomina
de “clase 3”, según la norma EN 1993 1-3. Sin embargo, si el contrato especifica dicho uso
para la cubierta, la construcción se denomina de “clase 2”. Para mayor información, en una
construcción de “clase 1”, la cubierta se utiliza para la estabilización de toda la estructura (no
es el caso contemplado aquí).
En una construcción de clase 3, no importando el tipo de correa (secciones laminadas en
caliente – IPEs – o correas conformadas en frío):
‰ La componente de las cargas de gravedad paralela a la pendiente del alero (véase Figura
1.1) es tomado por la flexión lateral del ala superior de las correas.Lo que es necesario es
controlar los esfuerzos y desplazamientos originados por la flexión, proporcionando un
número suficiente de tirantillos (véase Sección 5). La magnitud de estos desplazamientos
laterales debe ser limitada estrictamente, a fin de que sean compatibles con la suposición
de que las fuerzas no se transmiten al plano horizontal de la cubierta (por ejemplo, 1/500
de la distancia entre tirantillos).
‰ Las correas deben ser estables bajo pandeo lateral torsional (y pandeo si cumplen la
función de puntales) sin necesidad de recurrir a la cubierta.
En una construcción de clase 2:
‰ La componente de las cargas de gravedad a lo largo de la pendiente de la cubierta, se
transmite a través de la cubierta directamente a la estructura principal (pórticos, por
ejemplo) sin someter las correas a flexión lateral.
‰ Las correas se mantienen, bajo pandeo lateral torsional, mediante la cubierta:
¾
Se proporciona un apoyo rígido contra pandeo lateral torsional cuando la cubierta se
atornilla, únicamente, al ala en compresión (caso general: ala superior de las correas
en compresión bajo momento positivo)
¾
Se proporciona un apoyo semi-rígido contra pandeo lateral torsional cuando la
cubierta no sólo se fija al ala en compresión (caso general: ala inferior de las correas
en compresión bajo momento negativo) Este apoyo semi-rígido se produce por la
restricción en el extremo de la correa con la cubierta (véase la Figura 3.1).
‰ La cubierta cumple una función estructural:
¾
La parte responsable del diseño de la estructura de la correa también debe tener en
cuenta la estabilización de las correas por medio de la cubierta al definir las fuerzas
producidas en el plano horizontal de la cubierta (trabajando como diafragma).
¾
La parte responsable del diseño de la cubierta debe considerar estas fuerzas de
interfase, para justificar la resistencia del producto suministrado y sus uniones.
¾
El propietario del edificio es responsable de no utilizar uniones en el edificio, lo cual
podría alterar la resistencia de la sección horizontal de la cubierta, tal como ha sido
considerado en el diseño de la correa.
Página 10
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Está claro que la estabilización de las correas mediante la cubierta permite importantes
ahorros de costos en las correas debido a que se obtienen secciones más pequeñas y una
menor cantidad (o eliminación) de tirantillos.
Este beneficio se logra a expensas de la introducción de fuerzas de interfase en el plano
horizontal de la cubierta. En la mayoría de casos, estas fuerzas no influyen en el
dimensionamiento de la cubierta (usualmente son bajas con respecto a la resistencia de la
cubierta en el plano horizontal). Sin embargo, debería prestarse particular atención, a la
resistencia de los puntos de conexión entre el diafragma de la cubierta y la estructura principal
(véase la Sección 5) donde la transmisión de fuerzas en el plano horizontal de la cubierta
están concentradas.
Debe tenerse en cuenta el cambio en el “status” de la cubierta, que toma un rol estructural.
Nota: La estabilización de las correas mediante una cubierta de chapas de acero perfiladas ha
sido utilizada durante mucho tiempo, porque físicamente es indiscutible que tales cubiertas,
en su plano horizontal, son significativamente más rígidas que las correas en su dirección
lateral. Con la clasificación definida en el Eurocódigo EN 1993 1-3, el uso de esta cubierta es
explícita.
1
2
3
1
Conectores correa-cubierta, ubicados alternadamente a cada lado del alma
2
Fuerza de estabilización (pandeo lateral torsional)
3
Ala inferior comprimida (bajo momento negativo)
La rigidez global de la restricción depende de la rigidez del alma de la correa a flexión, la rigidez de la cubierta
flectada y la rigidez local de la conexión correa-cubierta. Esto puede determinarse experimentalmente o utilizando
los procedimientos dados en el Eurocódigo 3, parte 1-3 (EN 1993-1-3).
Figura 3.1
Estabilización del ala inferior mediante la restricción de extremo correa-cubierta
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4
2
5
3
1
2
3
1
Diafragma
Cumbrera
Parte inferior del alero
4
5
Fuerzas
Elevación del pórtico
Cada correa estabilizada transmite fuerzas de interfase a la cubierta. Los paños de cubierta forman un diafragma
que se apoya en dos pórticos (estructura principal) la cual sirve como límite: la función de este diafragma es
transmitir todas las fuerzas de interfase aplicadas a éste, mediante las correas, a la estructura principal, sin que las
correas se flecten lateralmente. Debe asegurarse que la conexión diafragma - estructura principal sea
suficientemente resistente.
La carga en el plano de la cubierta está representada por sólo un paño, el cual está limitado por dos vigas.
Figura 3.2
3.2
Vista en planta de un alero - diafragma básico entre pórticos
Otros materiales
Para otros materiales utilizados en la cubierta, que tengan un comportamiento similar al de las
chapas de acero, se puede utilizar un enfoque similar.
Los materiales translúcidos (cubiertas semi-transparentes) utilizados en edificios industriales
para tener luz natural, usualmente no se consideran adecuados para estabilizar las correas.
Si se desea mantener la función diafragma de la cubierta, hecha principalmente con chapas de
acero perfiladas atornilladas, en las cuales están incorporados los elementos translúcidos,
deben tenerse en cuenta las siguientes especificaciones:
‰ No se deben colocar chapas translúcidas en una franja a menos de 1 metro a cada lado del
eje central del pórtico o de la viga que sostiene a las correas.
‰ Las correas de las cumbreras y de la parte baja del alero no pueden utilizarse como apoyo
de las chapas translúcidas.
‰ Todas las chapas translúcidas están soportadas sólo por 2 apoyos y están siempre
insertadas a lo largo del alero entre 2 chapas de acero.
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4.
Correas continuas
4.1
Flechas, momentos y fuerzas de reacción en los
apoyos
El hecho de tener una correa de cubierta continua en 3 o más apoyos, altera
considerablemente los esfuerzos y las flechas.
Para una correa bajo flexión uniaxial (alrededor de su eje de inercia principal):
‰ Flecha máxima bajo una carga uniformemente distribuida q:
¾
Correa estáticamente determinada, en 2 apoyos simples: f0 = 5 q L4/(384EI)
¾
Correa en 3 apoyos, continuidad perfecta:
f = 0,4 f0
¾
Correa en 4 apoyos o más:
f = 0,5 f0
Considerar que una correa, sujeta a carga uniformemente distribuida, sea continua, permite
que su flecha sea la mitad (comparada con una correa apoyada en dos apoyos).
‰ Momento máximo bajo carga uniformemente distribuida q:
¾
Correa estáticamente determinada, sobre 2 apoyos simples:
M0 = q L2/8
¾
Correa sobre 3 apoyos, continuidad perfecta:
Mmin = -M0 (en el apoyo central)
Mmax = 0,56 M0 (en el tramo)
¾
Correa en 4 apoyos o más:
Mmin = -0,84 M0 (en el primer y último apoyo intermedio)
Mmax = 0,63 M0 (en tramos interiores)
Haciendo que una correa sea continua en por lo menos 4 apoyos, reduce el valor absoluto del
momento principal de flexión.
‰ Fuerza máxima de reacción en el apoyo bajo carga uniformemente distribuida q:
¾
Apoyo que recibe una correa estáticamente determinada en cada lado:
R0 = q L
¾
Correa sobre 3 apoyos, en el apoyo central:
R = 1,25 R0
¾
er
Correa sobre 4 apoyos o más, en el 1 apoyo intermedio:
R = 1,1 R0
Considerando las correas continuas se incrementa la fuerza de reacción de las correas en
algunos apoyos. Esto debe tenerse en cuenta cuando se dimensiona las estructuras de apoyo
(pórticos, por ejemplo).
De lo anteriormente explicado, se pueden inferir las siguientes conclusiones:
‰ Hacer la correas continuas es particularmente ventajoso cuando el criterio predominante
es la flecha, por consiguiente, es conveniente para paños largos (encima de 6 m.
aproximadamente)
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‰ Si las correas son continuas a lo largo de todo el edificio, la fuerza de reacción en el
primer y último apoyos intermedios se incrementa con respecto a la distribución
estáticamente determinada.
‰ Si las correas se hacen continuas por tramos a lo largo del edificio, se debe buscar
minimizar el incremento de la fuerza en ciertos pórticos, moviendo los apoyos con
fuerzas de reacción incrementadas de una línea de correa a otra (especialmente si las
correas se han hecho continuas en tramos dobles).
Nota: En algunos países, las correas IPE se denominan “sistema Gerber” con rótulas ubicadas
de tal manera, con el fin de tener momentos iguales en los apoyos y en los vanos
(generalmente una rótula en cada vano).
4.2
Métodos para hacer las correas IPE continuas
Es usual hacer las correas de sección laminada (IPEs) continuas mediante uniones
atornilladas.
Son posibles dos tipos de uniones:
‰ Uniones en las cuales las fuerzas transmitidas son perpendiculares al eje de tornillos.
‰ Uniones en las cuales las fuerzas transmitidas son paralelas al eje de tornillos.
En ambos tipos de uniones, es usual no utilizar tornillos pretensados, sino más bien los
denominados tornillos “ordinarios”. Esto significa que en la primera familia de uniones, los
tornillos actúan por cortante/aplastamiento (y en la segunda, los tornillos están trabajando a
tracción).
Los empalmes utilizados generalmente en la práctica,
cortante/aplastamiento, como se muestra en la Figura 4.1.
utilizan
tornillos
por
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3
1
1
2
3
2
Unión de empalme en el apoyo: el caso más común. Verificar la compatibilidad de la unión empalme-ejión
(véase Sección 5)
Unión de empalme desplazada con respecto al apoyo
Sección en U
La continuidad se logra mediante una unión de empalme de las dos correas que se van a ser continuas: las alas
no están conectadas porque al conectar el ala superior se impediría que la cubierta apoye en la correa;
conectando el ala inferior se impediría que la correa apoye en la estructura principal si los empalmes de
continuidad se hacen en los apoyos.
La unión de empalme es simétrica con respecto a la sección horizontal del alma (una unión de empalme a ambos
lados): los tornillos trabajan en dos planos a cortante.
Nota: Restringiendo el sobredimensionamiento de los huecos de los tornillos, se puede evitar tener sólo una
continuidad parcial (véase el cálculo ilustrativo en la Sección 4.4)
Figura 4.1
Empalme continuo con tornillos actuando por cortante/aplastamiento
La continuidad se logra utilizando chapas de extremo soldadas a tope al final de cada correa y atornilladas
conjuntamente. No se puede utilizar otros tornillos en el lado del ala superior porque impediría el apoyo de la
cubierta. Los tornillos (dibujados en azul) pueden utilizarse sólo en el lado inferior del ala si la unión se ubica fuera
del apoyo; esta configuración, sin embargo, es sólo de interés si el ala inferior está trabajando a tracción fuerte en
la sección donde la continuidad se produce, lo cual es bastante raro.
La configuración usual para uniones de chapas de extremo es sin tornillos exteriores.
La continuidad lograda mediante uniones de empalme es más utilizada que las chapas de extremo porque su
ensamblaje es más fácil.
Figura 4.2
Continuidad utilizando chapas de extremo y tornillos trabajando a tracción
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4.3
Métodos para hacer continuas las correas
conformadas en frío: casos en que las secciones Z
se unen entre sí y las secciones Sigma se conectan
con empalmes
En todos los sistemas de correas industrializados basados en secciones conformadas en frío la
continuidad de las correas se hace en los apoyos, por facilidad de montaje.
‰ La continuidad de las correas Z se logra uniendo una sección con otra:
L
L
T1
L
L
T3
T2
T4
R 1-2
T1, T2,
R 1-2
Figura 4.3
Sección 1, Sección 2, etc.
Solape zonas 1-2
Continuidad de correas Z
El solape se logra haciendo las secciones más largas que la longitud del vano. En general, esta
longitud adicional es aproximadamente 0,1 L después de cada apoyo (así, una sección típica
tiene 1,2 L). Para los extremos de la sección generalmente se da un poco más de longitud,
aproximadamente 0,15 L después del primer apoyo intermedio, debido al hecho de que el
momento en este apoyo tiene el máximo valor absoluto (así, un extremo de sección tiene una
longitud de 1,15 L).
La rigidez del conjunto, especialmente en casos de un solape corto, debe ser evaluada
mediante ensayos (o experiencia).
‰ La continuidad de correas Sigma Σ se logra mediante uniones de empalme.
Las conexiones de empalme son generalmente conformadas en frío, como las correas, pero
utilizando chapas de acero de menor espesor (aproximadamente 4 mm). Este método de
fabricación proporciona a las conexiones una forma perfectamente adecuada para su función y
la continuidad se logra mediante los tornillos trabajando por cortante/aplastamiento (como se
muestra en la Figura 4.1) y encajando la conexión de empalme en el alma de los perfiles
Sigma.
Dada la forma de la sección de las correas, la unión de empalme se ubica a un sólo lado, con
los tornillos actuando a cortante en un plano.
La rigidez del conjunto, especialmente en casos de un solape corto, debe ser evaluada
mediante ensayos.
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4.4
Semi-rigidez de los empalmes continuos: cálculo
simple que muestra el desarrollo de rotación debido
a la holgura en uniones de empalme cortas
Se debe tener cuidado dado que el beneficio de las correas continuas puede perderse
rápidamente si el empalme realizado entre dos secciones consecutivas no tiene suficiente
rigidez. El Eurocódigo EN 1993-1-3 adicionalmente exige que cualquier semi-rigidez de este
empalme debe tomarse en cuenta para calcular esfuerzos y flechas. Esta condición debe
extenderse a todos los tipos de correas, ya sean IPE o conformadas en frío de espesor delgado.
Si se toma el ejemplo de una correa de 10 m en dos tramos, cuya continuidad es a base de
uniones de empalme:
10 m
10 m
350 mm
1000 mm
Figura 4.4
Ejemplo: Correa de 2 tramos
La longitud total de la unión del empalme es 1 m (500 mm a cada lado del apoyo); la unión de
empalme del conjunto en cada sección de la correa se logra con tornillos de 4 x 16 mm de
diámetro, dentro de agujeros de 18 mm de diámetro (2 mm de holgura).
Esta holgura permite una rotación de 4/350 = 0,0114 rad, lo cual corresponde a la liberación,
en cada apoyo, de un momento de 0,0114 (3EI/L).
Si se supone que cada correa ha sido dimensionada por el criterio de flecha de L/200 en el
ELS, utilizando la suposición de continuidad perfecta:
L/200 = 2 qSLS L4 / 384EI → EI = 400 qSLS L3 / 384
El momento liberado en cada apoyo es: 0,0114 x 1200 qSLS L2 / 384 = qSLS L2 / 28
La flecha adicional en el tramo es aproximadamente: (qSLS L2 / 28)(L2 / 16) = qSLS L4 / (448EI)
De esta manera, la flecha se ha incrementado en un 43%, lo cual no se considera aceptable.
Se debe prestar atención en el control de cualquier holgura de los empalmes de
continuidad.
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5.
Conexión de las correas a la estructura
principal
5.1
Función de las conexiones correa/estructura
principal
La función de estas conexiones es transmitir las fuerzas aplicadas en la cubierta (todo lo que
comprima la estructura de correas y cubierta) a la estructura principal.
Las fuerzas transmitidas tienen:
‰ una componente perpendicular al plano del alero, hacia arriba o abajo
‰ una componente paralela al plano del alero, generalmente en la dirección de la pendiente.
La componente perpendicular a la pendiente de la cubierta, origina flexión de la correa
alrededor de su eje principal de inercia. La componente paralela a la inclinación de la cubierta
es originada:
‰ Por la flexión lateral del ala superior de la correa, si la cubierta no cumple una función
estabilizadora.
‰ O por la cubierta funcionando como un diafragma básico, si este cumple una función
estabilizadora (véase la Sección 3)
5.2
Diferentes tipos de uniones
La conexión correa/estructura principal se puede lograr ya sea:
‰ (1) Atornillando directamente el ala inferior de la correa al ala superior de la viga
principal (en general, la viga del pórtico)
‰ O (2) mediante un ejión simple o doble
‰ O (3) mediante un ángular doble al alma de la viga principal
La solución (2), mediante un ejión, es la más utilizada porque es la más fácil de ensamblar y
también porque proporciona la rigidez requerida a la unión con respecto a las fuerzas
paralelas a la inclinación de la cubierta. Adicionalmente, en el caso de correas conformadas
en frío de espesor delgado, evitan el problema de desgarramiento del alma en el apoyo.
La solución (3) es usada raramente.
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1
1
2
2
3
3
Solución 1: Atornillando directamente la correa al ala de
la viga del pórtico. Bajo una fuerza ascendente, el ala
inferior de la correa se flexiona y los tornillos de fijación
están en tracción. Bajo el efecto de una fuerza paralela a
la inclinación de la cubierta, el alma de la correa se
flexiona.
Solución 2-b: Ensamblaje utilizando un ejión doble:
permite transmitir grandes fuerzas.
Solución 2-a: Ensamblaje utilizando un ejión
simple: el ejión está hecha de una banda plana;
se dimensiona bajo el efecto de una fuerza
ascendente y una fuerza a lo largo de la
inclinación de la cubierta. Este tipo de fijación
sólo es adecuada para fuerzas moderadas.
Solución 2-c: Ensamblaje utilizando un ejión
doblemente rígido.
Nota : Debe prestarse atención a la
compatibilidad entre el ejión y la unión de
empalme, cuando los empalmes se localizan
en los apoyos.
Solución 3: Ensamblaje utilizando angular doble
para cada sección de correa para la conexión al alma
de la viga portante (viga del pórtico).
Leyenda:
1
Cubierta
2
Correa
3
Ala superior de la viga del pórtico
Figura 5.1
Diferentes tipos de uniones correa / estructura principal
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Unión utilizando un ejión simple conformado para
correas Sigma – la correa está “suspendida” para
evitar la compresión local del alma – también
utilizada para correas Z.
Figura 5.2
La misma unión, con ejiones rigidizados
Diferentes tipos de uniones correa / estructura principal para correas Sigma o Z
6.
Tirantillos y presillas
6.1
Funciones de los tirantillos y presillas
El acoplamiento de las correas cumple las siguientes funciones:
‰ Durante el montaje del edificio, sirve para asegurar que las correas estén rectas antes de
colocar la cubierta:
¾
Para el ajuste correcto de la cubierta / correa (tornillos autoroscantes en la parte plana
del ala de la correa)
¾
Para obtener una apariencia satisfactoria de las correas vistas desde el interior del
edificio
¾
No alterar el comportamiento estructural de las correas
‰ Durante el uso del edificio, mantener las correas lateralmente:
¾
En conexión con la cubierta, si la cubierta cumple la función de diafragma para
estabilizar las correas
¾
Independientemente, si la cubierta no cumple una función estabilizadora (véase la
Sección 3)
Mantener las correas lateralmente implica:
¾
Restringir la longitud de la luz de la correa estabilizada (o su ala superior aislada)
con respecto a las fuerzas laterales (a lo largo de la inclinación de la cubierta)
¾
Restringir la longitud de pandeo lateral torsional bajo momento a flexión negativo
y/o positivo
¾
Restringir la longitud de pandeo lateral para correas comprimidas (aquellos que
actúan como puntales)
A fin de cumplir con estas funciones correctamente, se debe crear un elemento estructural
rígido en la sección horizontal de cada alero: los tirantillos solos, no son suficientes (los
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tirantillos solos compensan el desplazamiento lateral de las correas, pero no eliminan éste),
deben ser unidos con “presillas”, las cuales forman una viga de celosía en el alero cuyos
cordones son dos correas adyacentes, los puntales son los tirantillos y las diagonales son las
presillas.
Esta viga de celosía esta formada generalmente en la parte superior del alero de tal forma que
los tirantillos trabajen a tracción bajo cargas de gravedad, excepto por su sección superior (al
nivel de la viga de celosía), las presillas también están ubicadas para que trabajen a tracción.
A lo largo de la longitud del alero, puede ser necesario ubicar una viga tirantillo intermedia:
permite una serie de presillas a cada 15 m aproximadamente del alero.
Si la cubierta sirve como diafragma, la estabilidad de algunas correas puede justificarse sin la
necesidad de usar tirantillos; sin embargo, estos últimos (o elementos equivalentes) son
necesarios durante el montaje.
El espaciamiento aproximado entre tirantillos está dado por:
‰ Luz de la correa menor a 6 metros: un tirantillo a la mitad del vano
‰ Luz entre 6 y 8 metros: dos tirantillos ubicados a un tercio
‰ Luz entre 8 a 10 metros: tres tirantillos ubicados a cada cuarto de luz
En los casos en que los tirantillos sólo se utilizan con propósitos de montaje (no
necesariamente para resistencia de la cubierta ya instalada en su lugar), estos valores de
espaciamiento pueden incrementarse de acuerdo a lo requerido en el montaje.
Los elementos descritos anteriormente se muestran en la Figura 6.1.
5
1
6
6
4
2
3
Leyenda:
1 Cumbrera
2 Parte inferior del alero
3 Pórticos
Figura 6.1
3
4
5
6
Tirantillos en los puntos ubicados a un cuarto de luz
del tramo
Presillas
Correas cordones de la viga tirantillo
Vista en planta de un alero
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6.2
Diferentes tipos de tirantillos
Si se utilizan tirantillos, es importante que sean efectivos, principalmente en la fase de
servicio del edificio en la cual se va instalar la cubierta: ¿se van a utilizar para mantener
lateralmente el ala superior de las correas? ,¿el ala inferior?, ¿ambas alas?.
La función que se les da a los tirantillos depende de la función dada a la cubierta. Por
ejemplo, si la cubierta cumple una función de diafragma (cubierta a base de chapas perfiladas,
atornilladas en las correas), los tirantillos no necesitan cumplir la función de estabilizar el ala
superior de las correas (donde la cubierta está atornillada) Si la restricción en el extremo
correa / cubierta es suficiente, tampoco es necesario estabilizar el ala inferior mediante
tirantillos.
Sin embargo, si la cubierta no cumple la función de diafragma, el acoplado de correas se
utiliza para estabilización lateral:
‰ ala superior: los tirantillos forman un apoyo para el ala superior con respecto a las cargas
a lo largo del alero, y con respecto al pandeo lateral torsional de la correa bajo momento
positivo (en un tramo bajo cargas en sentido descendente, sobre apoyos bajo cargas en
sentido ascendente)
‰ ala inferior: los tirantillos forman un apoyo para el ala inferior con respecto al pandeo
lateral torsional bajo momento negativo (en un tramo bajo cargas en sentido ascendente,
sobre apoyo bajo cargas descendentes)
A fin de ser efectivos, los tirantillos deben ser relativamente rígidos: una varilla roscada
ubicada a medio canto del alma (como a veces se ve) es generalmente inefectiva, los
tirantillos realizados con angulares o perfiles tubulares son una mejor opción. Son posibles
otras soluciones, que dan una rigidez similar.
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Mantener el ala inferior – ala superior sujetas por la cubierta en su función de diafragma
Mantener ambas alas: el tirantillo es un angular, sujeto por un angular soldado en el tirantillo y 2 tornillos
en la correa
Mantener ambas alas: el tirantillo es un tubo, continuo, a través de las correas
Mantener ambas alas: el tirantillo es un angular, sujeto por un angular soldado en el tirantillo y 2 tornillos
en la correa
Figura 6.2
Diferentes tipos de tirantillos
7.
Características de las acciones
7.1
Nieve
La nieve es una de las cargas predominantes para dimensionar las correas de cubierta,
particularmente cuando el peso de la cubierta en si mismo es bajo. El peso de la nieve a ser
considerada en los cálculos depende de la zona en la cual el edificio se construye, la altitud de
la zona y la forma de la construcción.
Se debe prestar particular atención al fenómeno de acumulación (distribución no uniforme de
la nieve en la cubierta) asociada con la forma de las construcciones.
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a)
Figura 7.1
Figura 7.1 a)
b)
Acumulación de nieve en la cubierta
Construcción con la parte posterior elevada: la carga de nieve por m2 es
mayor al pie de la parte posterior que en el resto del área en general. Si el
espaciamiento de las correas se mantiene constante, las correas deben tener
una mayor resistencia en el área donde la carga es mayor; a fin que la
cubierta sea instalada correctamente, las correas deben tener el mismo
canto.
Para correas conformadas en frío, es fácil obtener mayor resistencia con un canto
constante del perfil: todo lo que se necesita es incrementar el espesor de la
chapa utilizada para formar la correa.
Por otro lado, para correas IPE, generalmente, no es económico usar perfiles HEBs
del mismo canto, es mejor adoptar una solución que hace que las correas
estén más juntas cerca al área con la mayor carga.
Figura 7.1 b)
7.2
El mismo fenómeno a lo largo de un parapeto (parte baja de un alero): en
esta área, son necesaria correas con una mayor resistencia a espaciamiento
constante, o correas más juntas.
Viento
‰ Levantamiento de cubierta en edificios abiertos
En un gran número de configuraciones comunes, la fuerza ejercida por el viento en la
cubierta es una acción en sentido ascendente. Debe prestarse mucha atención a las
aberturas en las paredes verticales del edificio, lo cual puede causar un incremento
considerable en la fuerza ascendente. Una fuerza ascendente significativa en la cubierta
tiene una gran influencia en el diseño de la estructura de la correa: compresión en el ala
inferior de las correas en el tramo (restringida por pandeo lateral torsional), ejiones con
grandes cargas, etc.
‰ Fuerza descendente del viento en edificios con parte posterior en elevación
En algunos casos específicos, el viento puede causar una fuerza descendente significativa
en una parte de la cubierta. Particularmente, es el caso de una cubierta con una parte
posterior elevada.
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2
1
Leyenda:
1 Dirección del viento
Área donde el viento ejerce una fuerza descendente en la cubierta. ¡Se debe prestar atención al efecto
acumulativo de la nieve!
Figura 7.2
Fuerza descendente del viento sobre la cubierta
‰ Correas comprimidas
Cuando el hastial de un edificio tradicional es golpeado por el viento (véase la Figura 1.2),
las correas sirven como puntales o los puntales de las vigas contraviento están
comprimidas.
Es importante durante el diseño estructural, que cualquier excentricidad en la transmisión de
dichas fuerzas de compresión sea controlada.
1
2
5
4
6
3
1
Correa
4
Arriostramiento
2
Viga del pórtico del hastial
5
Excentricidad
3
Pilarillo del hastial
6
Viento
Nota: Si se desea evitar someter los pilarillos del hastial a compresión, debe proporcionarse agujeros ranurados
con una línea central vertical ancha en la conexión poste/viga.
Figura 7.3
7.3
Diseño de un hastial que genera un fuerte momento en la correa
Sobrecargas
‰ Cargas suspendidas
La forma en que se aplican las sobrecargas dentro de un edificio influye en el diseño de
las correas.
Las cargas suspendidas del ala inferior pueden generar esfuerzos locales, los cuales
deben restringirse en cuanto sea posible.
¾
Las cargas gravitatorias tienen una componente a lo largo del alero que produce
flexión lateral del ala inferior: para reducir esta flexión, deben pasarse estas cargas a
los tirantillos próximos que estabilizan el ala inferior.
Página 25
Proyecto básico: Diseño de la estructura de correas
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¾
Las cargas suspendidas del ala causan que esta ala se flecte (esfuerzo perpendicular a
los esfuerzos generales en la dirección longitudinal, los cuales se acumulan en una
combinación Von Misses).
‰ Equipo colocado en la cubierta
Cuando se coloca equipo en la cubierta, las cargas producidas por su peso, obviamente
deben tomarse en cuenta en el cálculo de la correa. La influencia que tienen las cargas
climáticas en la cubierta también deben ser evaluadas (acumulación de nieve alrededor
del equipo, fuerzas de viento locales, combinación de nieve + viento).
También es importante mencionar en esta sección, los lucenarios en forma de arcos, lo
cual ejerce una fuerza en la base del arco a lo largo de su línea de apoyo (generalmente
horizontal).
1
1
Ubicar tirantes para recoger la componente horizontal de las fuerzas de reacción
Figura 7.4
7.4
Lucenario
Cargas de mantenimiento
Una carga de la cubierta, que a veces es olvidada cuando se dimensionan las correas, es la
carga de mantenimiento. Esta puede tener una influencia importante cuando la cubierta es
impermeabilizada con muchas capas, en la medida en que la carga de mantenimiento incluye
el almacenamiento temporal en la cubierta de materiales de reemplazo durante los trabajos de
reparación.
La carga de mantenimiento tiene un valor por m2 mayor que el de la nieve (con la cual no se
combina porque se considera que los principales trabajos en la cubierta no se hacen durante la
temporada de nieve), por consiguiente, puede tener influencia directa en el dimensionamiento
de las correas.
Adicionalmente, la carga de mantenimiento es local: sólo afecta un paño simple de correas
continuas, produciendo un incremento del factor para momento a flexión del tramo y de la
flecha.
Debe prestarse atención a la flexión de las correas, ya que la carga de mantenimiento no crea
una contra pendiente en la cubierta (cubiertas multicapas tienen una pendiente gradual): se
puede no hacer la combinación de cargas de mantenimiento y nieve, pero la posibilidad de
una lluvia fuerte durante los trabajos de reparación no deberían dejarse de considerar. Así, la
presencia de una contra pendiente introduce un fenómeno de acumulación de agua
(estancamiento).
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Proyecto básico: Diseño de la estructura de correas
SS049a-ES-EU
7.5
Riesgos de la acumulación de agua: nieve derretida,
lluvia
Cubiertas con una pendiente gradual (menor al 5%) son proclives al fenómeno de
acumulación de agua (estancamiento) (EN 1993 1-3 también exige tomar en cuenta esto, pero
no indica cómo).
Ejemplo de escenario: Bajo los efectos de una fuerte nevada, la cubierta y la correa se
deforman. Si estas deformaciones son tales que la pendiente de la cubierta se invierte, cuando
la nieve se derrite, el flujo de agua descongelada hacia abajo se ve impedida y se forman
charcos de agua. Cuanto más flexibles son las cubiertas y correas, más profundos y grandes
son los charcos. La carga de agua puede volverse mayor que la carga de nieve, o aún mayor
que la resistencia de las correas. Más aun, no se puede ignorar una sucesión de nevadas,
descongelamiento, etc. que pueden agravar el fenómeno. Por lo tanto, es importante diseñar
una estructura de correas lo suficientemente rígida tal que el agua proveniente de la nieve
descongelada pueda siempre evacuarse al exterior: no permitir contra pendientes bajo la
combinación de cargas en el ELU, esto se logra tomando en cuenta la carga de nieve: este es
uno de los raros ejemplos donde es importante verificar el criterio de deformación para
combinaciones en ELU.
Otro ejemplo de escenario: al reparar una cubierta multicapa, las correas y la cubierta se
deforman bajo el efecto de la carga de mantenimiento. Si estas deformaciones son tales que la
pendiente de la cubierta se invierte, comienza el fenómeno de acumulación, se produce una
fuerte lluvia y la evacuación de ésta se ve obstaculizada, etc. Por lo tanto, es importante
diseñar una estructura de correa suficientemente rígida tal que, el agua de lluvia pueda fluir al
exterior en tales circunstancias: el criterio de deformación bajo la combinación en ELU
incluye la carga de mantenimiento.
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Proyecto básico: Diseño de la estructura de correas
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Registro de Calidad
TÍTULO DEL RECURSO
Proyecto básico: Diseño de la estructura de correas
Referencias(s)
DOCUMENTO ORIGINAL
Nombre
Compañía
Fecha
Creado por
P. Le Chaffotec
CTICM
26/09/05
Contenido técnico revisado por
A. Bureau
CTICM
26/09/05
1. Reino Unido
G W Owens
SCI
23/05/06
2. Francia
A. Bureau
CTICM
23/05/06
3. Suecia
B Uppfeldt
SBI
23/05/06
4. Alemania
C Müller
RWTH
23/05/06
5. España
J Chica
Labein
23/05/06
G W Owens
SCI
25/04/07
J Chica, Labein
27/02/07
Contenido editorial revisado por
Contenido técnico respaldado por los
siguientes socios de STEEL:
Recurso aprobado por el
Coordinador técnico
DOCUMENTO TRADUCIDO
Traducción realizada y revisada por:
Recurso de traducción aprobado por:
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