Análisis Estructural 1

Análisis Estructural 1. Práctica 1
Estructura para nave industrial
1 Objetivo
Esta práctica tiene por objeto el diseñar y estudiar el comportamiento de la estructura
principal de un edificio industrial formado por una nave simple. El cálculo se efectuará
empleando el programa cespla.
2 Descripción de la estructura
La estructura está compuesta por una nave de 26 m de luz, con voladizos de 2 m y 4 m a
ambos lados. Las dimensiones se indican en la figura 1. La altura útil interior no debe ser
inferior a 8 m. La cubierta debe tener una pendiente superior a 5º. Los paramentos
extremos de los voladizos pueden hacerse inclinados respecto de la vertical.
La estructura está organizada como una celosía simple para la cubierta, apoyada en dos
pilares. La disposición de esta celosía debe determinarse. El apoyo de la celosía en el pilar
izquierdo es del tipo totalmente fijo, mientras que el apoyo de la celosía en el pilar derecho
es deslizante.
Las estructuras principales están dispuestas en la nave separadas cada 6 m, por lo tanto
cada estructura debe soportar las fuerzas correspondientes a dichos 6 metros.
El material de toda la estructura es acero estructural.
3 Casos de carga
Sobre la estructura actúan una serie de cargas, agrupadas en los siguientes casos de carga:
•
Cargas permanentes actuantes sobre la estructura (CP), que corresponden al peso
propio del panel de chapa de cubrición, aislante, correas, etc., y que suman en total 45
kg/m2. Esta carga se considera aplicada sobre los nudos del cordón superior. Se puede
considerar que el peso propio de la celosía ya está incluido en dicha carga.
•
Sobrecarga debida a la nieve (NI). El valor de las cargas a aplicar se determinará de
acuerdo con la norma NBE AE-88 “Acciones en la Edificación”, capítulo IV,
considerando que la nave está situada a 300 m de altitud. Las cargas debidas a la nieve
se considerarán aplicadas sobre los nudos del cordón superior.
•
Viento soplando desde la izquierda (VI). El valor de las cargas a aplicar se determinará
de acuerdo con la norma NBE AE-88 “Acciones en la Edificación”, capítulo V,
considerando una velocidad de viento de 125 km/h y situación en corriente en una
construcción cerrada. Las fuerzas del viento actuantes sobre los pilares se considerarán
uniformemente repartidas en su altura. La parte actuante sobre la celosía se considerará
aplicada sobre los nudos.
•
Viento soplando desde la derecha (VD). Se aplicarán fuerzas simétricas de las de la
hipótesis VI.
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4 Hipótesis de diseño
Para el diseño de las estructuras se emplean en la realidad una serie de hipótesis de diseño,
que tienen en cuenta que no todas las acciones se producen simultáneamente. Las hipótesis
de diseño son una combinación lineal de los casos de carga básicos anteriores, afectados de
unos coeficientes de mayoración γ que juegan el papel de coeficientes de seguridad.
En esta práctica se empleará una única hipótesis de diseño, denominada Ic en la norma
EA95 “Estructuras de Acero en Edificación” y definida de la forma siguiente:
Coeficiente de mayoración γ, si
el efecto de la acción es:
Hipótesis de diseño
Ic
Clase de acción
Desfavorable
Favorable
Peso propio
1.33
1.00
Viento
1.50
0.00
Nieve
1.50
0.00
Por lo tanto los esfuerzos de diseño mayorados N* se calcularán por combinación
mayorada de los esfuerzos en cada caso de carga:
N * = γ peso N peso + γnieve N nieve + γviento N viento
En esta combinación debe tenerse en cuenta que los coeficientes de mayoración son
distintos según que el efecto sea desfavorable (los esfuerzos son del mismo signo y se
suman) o favorable (los esfuerzos son de distinto signo).
5 Trabajos a realizar
En base a la información disponible, se creará un modelo de la estructura empleando el
programa cespla, y con él se efectuará lo siguiente:
5.1
Dimensionamiento de la estructura.
En primer lugar se elegirá una disposición adecuada de los montantes y diagonales de la
celosía y se fijarán las longitudes definitivas de las distintas barras.
A continuación se elegirán los perfiles más adecuados para cada una de las barras. Se
emplearán tubos de sección rectangular para los cordones superior e inferior y tubos
cuadrados para los montantes y diagonales. Para los pilares se utilizarán perfiles HEB.
Para simplificar el diseño y la fabricación, se podrá emplear si se desea un mismo tamaño
de perfil para todas las barras situadas en el cordón superior; un mismo tamaño de perfil
para todas las barras del cordón inferior, otro para todos los montantes y otro para las
diagonales. Opcionalmente pueden emplearse perfiles distintos, pero nunca más de 6
tamaños diferentes.
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Los criterios a emplear en el dimensionamiento son los siguientes:
Tensión máxima
Será inferior al límite elástico del material. El programa suministra los valores de la
tensión máxima en cada barra.
σ* =
N*
<σE
A
Siendo:
N*: Esfuerzo axial de compresión mayorado, obtenido en la hipótesis de diseño.
A:
área del perfil.
σE:
límite elástico del material.
Pandeo
En las barras a compresión se comprobará que no se produce pandeo, empleando para ello
el método del coeficiente ω. Según este método la comprobación de tensión en una barra a
compresión pura debe efectuarse mediante la fórmula:
*
σ comp
=
ωN*
A
<σE
Siendo ω el coeficiente de pandeo, que depende de la esbeltez λ del perfil, la cual es igual
a la relación entre la longitud de pandeo y el radio de giro
El programa cespla tiene implementado este método del coeficiente ω para comprobar la
tensión de pandeo: el valor de la tensión máxima que se calcula para las barras a
compresión lleva ya incluido el coeficiente ω. Como dato de partida es necesario
únicamente definir el valor de la longitud de pandeo de las barras, lo cual puede hacerse en
las opciones de cálculo del programa.
Flecha máxima
Se cumplirá que la máxima flecha vertical en el centro de la celosía sea inferior a 1/250 de
la luz total.
5.2
Efecto de la temperatura
Se aplicará un incremento de temperatura de valor +30 ºC al cordón superior de la celosía
y se analizará su influencia sobre la respuesta (tensiones y deformaciones) de la estructura.
5.3
Efecto del descenso de un apoyo
Se impondrá un descenso del apoyo izquierdo de valor 4 cm, y se analizará su influencia
sobre la respuesta (tensiones y deformaciones) de la estructura.
5.4
Tensiones secundarias
El objetivo es analizar la influencia que tiene la suposición de nudos totalmente
articulados. Para ello se modificará el modelo de barras articuladas ya creado y se
considerarán todas las barras empotradas entre si. Se emplearán los perfiles determinados
en el apartado 5.1.
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En esta situación se calculará la estructura bajo la acción del peso propio y de la nieve. Se
obtendrán las nuevas deformaciones, los nuevos esfuerzos internos y las nuevas tensiones
que se producen en las distintas barras. Se estudiará la magnitud de estas nuevas tensiones
y deformaciones y se comprobará si son admisibles o no.
5.5
Modificación en el apoyo
Se sustituirá el apoyo deslizante de la celosía en el pilar derecho por un apoyo totalmente
fijo. Se emplearán los perfiles determinados en el apartado 5.1 y se volverá a calcular la
estructura bajo la acción de las cargas exteriores, el aumento de temperatura y el descenso
del apoyo. Se compararán los resultados obtenidos con los hallados anteriormente en la
situación de apoyo deslizante.
6 Resultados
Se presentará como resultado de la práctica un documento conteniendo la siguiente
información:
•
Una descripción del diseño adoptado para la estructura, indicando la disposición de las
barras de la celosía, las dimensiones de la estructura, las simplificaciones efectuadas,
cargas actuantes, perfiles iniciales supuestos, etc.
•
El resultado del dimensionamiento: tipo de perfil finalmente adoptado para cada barra.
Se indicará el peso de la estructura.
•
Los valores máximos de las tensiones que aparecen en todos los elementos de la
estructura, para las diferentes situaciones de carga y para la hipótesis de diseño.
•
Los valores de las máximas deformaciones que se producen en el centro de la celosía.
•
Los resultados del efecto de la temperatura y un análisis razonado de su influencia.
•
Los resultados del efecto del descenso del apoyo y un análisis razonado de su
influencia.
•
Los resultados obtenidos del estudio de las tensiones secundarias y un análisis de su
importancia.
•
Los resultados obtenidos para el caso de sustituir el apoyo deslizante de la derecha por
un apoyo fijo y una explicación de los mismos.
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Figura 1. Disposición general
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