Edificios industriales con
estructura de acero
Juan Felipe Beltrán
Departamento Ingeniería Civil
Universidad de Chile
Santiago, Chile
Marzo de 2007
Revisión, elaboración del guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de
Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera
Edificios industriales de acero
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Definición
Tipos de edificios industriales
Cargas
Diseño de edificios industriales
Criterios de serviciabilidad
Mantención
Contenido
1. Definición
Edificios Industriales
• Usos principales
– Alojar procesos de producción
– Almacenamiento de equipos e insumos
• Diseño
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–
Estética del edificio
Distribución de plantas libres y pasillos
Límites de altura
Maquinarias equipos y métodos de almacenamiento
Remodelaciones y cambio de uso
Cargas/solicitaciones
Relaciones entre áreas de trabajo, flujos de producción y
consideraciones acústicas.
2. Tipos de edificios industriales
Clasificación
• Edificios industriales más comunes
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Pórtico simple
Pórtico doble sin pilar central
Pórtico doble con pilar central
Pórtico con viga reticular
Pórtico con armadura de techo y columnas reticulares para
puentes grúas.
Pórtico simple
Pórtico doble sin pilar central
2. Tipos de edificios industriales
Pórtico doble con pilar central
Clasificación
Pórtico con viga reticular
Pórtico con armadura de techo y columnas
reticulares para puentes grúas.
3. Cargas
• Tipos de carga a considerar en el diseño
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Carga muerta
Carga viva
Carga de nieve
Carga de lluvia
Carga de viento
Carga de sismo
Carga de grúa
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Fatiga
Impacto vertical
Cargas horizontales
Cargas longitudinales
Momento flector por excentricidad
Fuerzas relacionados con la detención
Tipos de cargas
4. Diseño de Edificios Industriales
Diseño
• Etapas de diseño
– Determinar distribución geométrica del edificio
– Determinación de las cargas
– Diseño preliminar de las columnas que reciben cargas de grúa
(si corresponde)
– Diseño del techo: armadura y/o viga
– Diseño de muros exteriores
– Diseñar el pórtico (edificio) ante combinación de cargas
– Diseño final: columnas, armaduras, vigas, arriostramientos,
detallamiento, chequeo serviciabilidad
4. Diseño de Edificios Industriales
Diseño de techos
• Consideraciones
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Resistencia
Peso
Luz (vano) a cubrir
Aislación
Acústica
Estética
• Estructuración de techos
– Cubierta de acero – techos de membrana
• Plana
• Inclinada
– Armaduras
Techos
4. Diseño de Edificios Industriales
Cubierta inclinada
Viga armada (reticular)
Armadura de techo
Cubierta plana
Viga de acero
Techos
4. Diseño de Edificios Industriales
Estructuración de techos
• viga de acero plana – inclinada.
– Cubierta
• Proveer arriostramiento
• Prevenir levantamiento del techo
• Servir como diafragma
• Armadura
– Arriostramiento discreto
• Estabilidad: rigidez y resistencia
• Transmitir fuerzas de sismo y viento
Techos
4. Diseño de Edificios Industriales
• Propósito de muros exteriores
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–
Proveer protección
Aislación térmica y acústica
Refracción de la luz
Resistencia al fuego
• Consideraciones en su elección
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–
Costo
Resistencia
Apariencia estética
Resistencia al fuego
Velocidad de instalación/construcción
Mantenimiento
Durabilidad
Desmonte - expansión
Muros
4. Diseño de Edificios Industriales
Sistemas de muros
• Paneles armados en terreno
– Panel exterior – aislación – panel interior
• Materiales paneles: aluminio corrugado
• Aislación: fibra de vidrio
• Paneles armados en fábrica
– Panel metálico – aislación – panel interior
• Materiales paneles: aluminio
• Aislación: espuma plástica
• Paneles prefabricados
– Panel de concreto – aislación – panel de concreto
• Aislación: 2 a 6 pulgadas de poliuretano
• Paneles de concreto: mínimo 2 pulgadas de espesor
• Formas de los paneles: doble T, paneles perforados
– Paneles transmiten/no transmiten cargas
– Resistencia al fuego
Muros
4. Diseño de Edificios Industriales
Muros
• Muros de albañilería
– Transmiten fuerzas
– No transmiten fuerzas (muro
cortina)
– Resistencia al fuego
Columnas de Viento
• Diseño económico de vigaspanel
– Columnas deben estar
arriostradas
– Transmisión de cargas de viento
Viga-panel
Aislación
Panel exterior
Panel interior
Sección del muro
4. Diseño de Edificios Industriales Estructuración
Estructuración Edificio Industrial
• Pórtico rígido
– Provee rigidez lateral en el plano del pórtico
– Rigidez longitudinal, perpendicular al pórtico, debe ser provista
• Pórtico arriostrado
– Requiere arriostramiento en techo y muros
• Arriostramiento tipo X o Chevron (V invertida).
– Sistema de arriostramiento interfiere
• Operaciones de planta
• Futuras expansiones
– Pueden resultar más económica que un pórtico rígido
4. Diseño de Edificios Industriales Estructuración
(2)
1. Pórtico rígido
2. Arriostramiento horizontal en cubierta
3. Arriostramiento vertical
4. Columnas de fachada
(4)
(5)
(1)
(4)
(1)
(4)
(1)
(3)
5. Arriostramiento de columnas de
fachada
4. Diseño de Edificios Industriales
Viga Puente-Grúa
Viga puente-grúa
Columna
Arriostramiento vertical
en X viga puente-grúa
Viga
puente-grúa
4. Diseño de Edificios Industriales
Diseño Viga Puente-Grúa
• Factores a considerar
– Carga de ruedas
– Espaciamiento de las ruedas
– Luz o vano de la viga
• Tipo de viga
– Viga laminada
– Viga o trabe armada
• Diseño
– Guía de diseño AISC
• Método ASD y LRFD
• Método alternativo mixto
– Diseño usando método ASD y
– Chequear pandeo lateral del alma con método LRFD
Viga
puente-grúa
4. Diseño de Edificios Industriales
Viga
puente-grúa
• Método ASD
– Calcular inercias ejes x-x e y-y
• Satisfacer criterio de deflexiones
– L/600 a L/1000: deflexión vertical
– L/400: deflexión lateral
– Posicionar la grúa en la posición mas desfavorable
• Maximizar momento flector
– Calcular momentos flectores Mx y My
• Incluir efecto de impacto
• Considerar que la carga lateral es aplicada en el ala superior
– Seleccionar una sección en base a Mx
• Incluir efecto de My aumentando el tamaño de la sección
– Chequear sección
4. Diseño de Edificios Industriales
M x / Sx
Fbx

M
y
/ St
Viga
puente-grúa
 1 .0
Fby
donde
St = módulo de sección de la parte superior de la sección con
respecto al eje y-y
– Chequear el pandeo lateral del alma
• Sección K1.5, especificaciones AISC.
• Método LRFD
– Mismo procedimiento descrito para método ASD
– Utilizar especificaciones AISC-LRFD
4. Diseño de Edificios Industriales
Columnas
Diseño de Columnas
• Tipos de columnas
Columna con
consola
Columna con cambio de
sección abrupto
Columna
compuesta
Columna
compuesta
4. Diseño de Edificios Industriales
Columnas
• Diseño
– Diagrama de momento flector debido a carga de grúa
• Grado de empotramiento en su base
• Rigidez relativa con otros elementos estructurales adyacentes
• Modelo Estructural: Diseño Preliminar
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–
–
–
Obtención de diagrama de momento flector debido a carga de grúa
Modelo no considera desplazamiento lateral
Base de la columna con empotramiento perfecto
Estimar rigidez de las columnas para diseño posterior
Efecto de armadura de techo
4. Diseño de Edificios Industriales
• Estimación rigidez columnas
– Análisis del edificio industrial
• Análisis de estructura indeterminada
• Combinación de cargas
Columnas
5. Criterios de serviciabilidad
Limitar deflexiones
• En general los códigos de diseño no explicitan límites de
serviciabilidad.
• Límites de serviciabilidad: basados en el propósito del
proyecto y experiencia del diseñador
• Criterios de serviciabilidad: Techos
– American Institute of Steel Construccion (AISC, 1989)
• Altura largueros trabajando a capacidad máxima ≤ L (luz)/20
• Deflexión largueros soportan estructura de techo (carga de nieve) ≤
L (luz)/150
– Steel Deck Institute (SDI, 2000). Carga viva
• Deflexión cubierta a carga uniforme ≤ L (luz)/240)
– Steel Joist Institute (SJI, 2002). Carga viva
• Deflexión viga que soporta techo de yeso ≤ L (luz)/360
5. Criterios de serviciabilidad
Limitar deflexiones
• Deflexión viga que soporta techo de cualquier material, excepto de
yeso ≤ L (luz)/240
– National Roofing Contractors Association (NRCA, 2001)
• Deflexión cubierta a carga uniforme ≤ L (luz)/240
• Deflexión cubierta a carga puntual de 300 lb en L/2: ≤ L (luz)/240
• Deflexión estructura de techo ≤ L (luz)/240
– Factory Mutual (FM, 2000)
• Deflexión cubierta a carga puntual de 300 lb en L/2: ≤ L (luz)/200
• Criterios de serviciabilidad: Paneles de Metal (Muros)
– American Institute of Steel Construccion (Design Guide 7)
• Deflexión perpendicular a la superficie del muro ≤ altura/(60 a 100)
• Deflexión de vigas y columnas que forman el panel ≤ L (luz)/120
5. Criterios de serviciabilidad
Limitar deflexiones
• Criterios de serviciabilidad: Paneles Prefabricados (Muros)
– American Institute of Steel Construccion (Design Guide 7)
• Deflexión de la base del panel ≤ altura/100
• Criterios de serviciabilidad: Paneles de Albañilería (Muros)
– American Institute of Steel Construccion (Design Guide 7). Elementos
que soportan la albañilería
• Deflexión perpendicular a la superficie del muro no reforzado ≤ 1/16 in
• Deflexión perpendicular a la superficie del muro reforzado ≤ altura/100
• Deflexión de vigas y columnas que forman el panel ≤ L (luz)/120 ≤ 1.5 in
6. Mantención
Mantención
• Acceso adecuado para procesos de mantenimiento
– Conflicto con el uso del edificio
• Desmontar equipos o izarlos
• Toma de radiografías
• Aislación de zonas por seguridad
• Mantención cubierta-techo y muros
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–
–
Acumulación de agua y nieve
Emisiones del proceso industrial
Deterioro de la cubierta
Eliminar humedad de muros
• Edificios con grúas
– Alineamiento de los rieles
– Deterioro de la grúa y rieles
– Detección y reparación de fisuras por fatiga
• Consultar Apéndice K, especificaciones AISC
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Diapositiva 1 - Construcción en Acero