Arcos en Celosia

II Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Sísmica y Puentes Lima, 26 y 27 de Mayo de 2006

UN ESTUDIO SOBRE ARCOS DE CELOSIA LUIS F. ZAPATA BAGLIETTO, MSc LUIS A. ROMERO CORONADO. CORONADO UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍ INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍ INGENIERÍA CIVIL

Instituto de Construcció Construcción y Gerencia

Techos con arcos de celosía ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

Historia de este tipo de construcción en el país. Presentación de techos con los arcos metálicos de celosía. Falla en algunos techos con arcos. Arcos simplemente apoyados con cargas verticales. Arcos con columnas de concreto armado. armado Arcos con columnas de tubos de acero. acero Pórticos con Techo Curvo como alternativa. Conclusiones.

INSTITUTO DE LA CONSTRUCCION Y GERENCIA - ICG Telefax: (01) 4217896 / [email protected] / www.construccion.org.pe


Nave con techo de arcos de celosí celosía Perspectiva

Luz =30m Flecha = 5m Separación entre arcos = 6m Viguetas (correas) @ 2.10m Planchas de cubierta = 10kg/m2 Peso propio estructura metálica 10kg/m2 Carga viva = 20kg/m2 Velocidad del viento = 70km/hora Material Acero A-36 Reglamentos: AISC – ASD – 2005 ASCE – 07 - 2005

Techo de arco de celosía caído 1







Cargas verticales aplicadas

ARCO

Apoyo fijo

Apoyo fijo

ARCO

TIRANTE

Apoyo deslizante

Apoyo deslizante

Arco- Análisis simplificado Cargas reacciones Carga ymuerta: 250 kgf Carga viva:

250 kgf

ArcoArco- aná análisis simplificado

Arco- Análisis simplificado

Resultados del aná análisislisis- Esfuerzos axiales



Área de planchas 194m2

Peso. Peso: Peso: 840kgf 840 kgf 800kg 2 Área de planchas: 194m

Detalles constructivos

Análisis con cargas verticales

Rel.= Esfuerzo actuante/Esfuerzo admisible

Arco Resultado de la verificació verificación de sus elementos



ARCO DE CELOSIA

COLUMNA CONCRETO ARMADO: 30x50

tirante

ZAPATA EMPOTRADA

COLUMNA CONCRETO ARMADO: 30x50

INTERACCIÓN Arcos-columnas

ZAPATA EMPOTRADA

ARCOARCO-COLUMNAS PERSPECTIVA

Cargas Verticales

Extremo empotrado

Carga muerta: 250 kgf Carga viva:

250 kgf Extremo empotrado

ARCO-COLUMNAS CARGAS VERTICALES



deformada

ARCOARCO-COLUMNAS DEFORMADA

Rel.= esfuerzo actuante/esfuerzo admisible

ARCO-COLUMNAS RESULTADO DE LA VERIFICACION



ARCOARCO-COLUMNAS REACCIONES

TIMPANO ABIERTO

VIENTO ARCOARCO-COLUMNAS Viento paralelo a la cumbre



ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE ARCOS DE CELOSIA

NORMAS PARA CONSIDERAR EL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS SEGÚN EL PROCEDIMIENTO ANALÍTICO PROPUESTO POR LAS NORMAS ASCE 7-05 MINIMUM DESIGN LOADS FOR BUILDINGS AND OTHER STRUCTURES, CAP. 6 LAS FUERZAS O PRESIONES DE VIENTO SE CALCULAN EN FUNCION A UNA VELOCIDAD DE VIENTO BASICA. VERSIONES ANTERIORES DE LA NORMA (ASCE 7-88) ADOPTARON COMO VELOCIDAD BASICA DE VIENTO, LA MAYOR VELOCIDAD DE UNA “MILLA DE VIENTO” Vfm, USADA POR EL U.S. NATIONAL WEATHER SERVICE, Y QUE SE MIDE A UNA ALTURA DE 10m EN TERRENO PLANO LIBRE DE OBSTÁCULOS. VERSIONES RECIENTES DE LAS NORMAS DEL AMERICAN NATIONAL STANDARD ASCE 7-05, DEFINEN A LA VELOCIDAD BASICA DE VIENTO COMO LA VELOCIDAD DE UNA “RAFAGA DE VIENTO DE 3 SEGUNDOS” V3S, MEDIDA A UNA ALTURA DE 10 m EN TERRENO PLANO.


NORMAS PARA CONSIDERAR EL VIENTO SOBRE LAS ESTRUCTURAS MAPA EÓLICO DE LA DISTRIBUCIÓN DE VIENTOS EXTREMOS EN EL PERÚ (UNI, 1987). ESTE MAPA NOS DA VELOCIDADES DE VIENTO SIMILARES A LAS USADAS EN VERSIONES ANTERIORES DE LAS NORMAS ASCE 07-88. POR LO TANTO SE NECESITA HACER UNA CONVERSION DE ESTAS VELOCIDADES A FIN DE USAR LAS FORMULAS INDICADAS EN LA NORMA ACTUAL ASCE 7-05.




CONVERSION A VELOCIDAD DE RAFAGA VELOCIDAD EQUIVALENTE

V fm = 70 kmh = 44 mph t = 3600 segundos/hora = = 44 millas/hora 81 segundos/milla Del Grafico Vfm / Vmh = 1.20

Vmh = 44 / 1.20 = 36.70 mph Del Grafico V3s / Vmh = 1.30

V3S = 1.30 * 36.70 = 47.7 mph V3S = 76 kmh

V3S = Velocidad de una ráfaga de viento en 3 segundos. Vfm = Es la mayor velocidad de una milla de viento t = Tiempo Promedio de la velocidad de una milla Vhm = Velocidad Promedio Horaria


RELACIÓN ENTRE EL VIENTO Y SUS CORRESPONDIENTES PRESIONES (ASCE 7-05)

p = q ⋅ G f ⋅ C p − qi ⋅ (GC pi )

p: q, qi: Gf: Cp: GCpi:

Presión de Diseño a ser usada en la determinación de acciones debida a cargas de viento. Presiones de velocidad de viento, qi es referida a presiones de velocidad para la determinación de presiones internas. Factor de Respuesta de Ráfaga (Gust Response Factor), Amplifica los efectos de ráfagas de viento. Coeficiente de Presión Externa. Factor de Forma Aerodinámica (Obtenidos en Túneles de Viento). Producto del coeficiente de presión interna y el factor de, ráfaga son dadas en la Tabla 6-5 (ASCE 7-05)




RELACIÓN ENTRE EL VIENTO Y SUS CORRESPONDIENTES PRESIONES (ASCE 7-05) q:

Kz: Kzt: Kd: V: I:

PRESIÓN QUE GENERA LA VELOCIDAD DEL VIENTO (N/m2)

q = qz = 0.613⋅ K z ⋅ K zt ⋅ Kd ⋅V 2 ⋅ I

Coeficiente de Exposición de Altura. Factor Topográfico. Factor de Dirección de Viento. Velocidad Básica de Viento (m/s). Factor de Importancia de la Construcción.


COEFICIENTES DE PRESIÓN EXTERNA Cp ELEVACION Coeficientes de Presión Externa sobre Paredes, Cp (ASCE 7-05) Condiciones

L /B

Pared de Barlovento

Todos los valores 0-1 2 ≥4 Todos los valores

Pared de Sotavento Paredes Laterales

Cp

Use con:

0.80

qz

-0.50 -0.30 -0.20

qh

-0.70

qh

qz ⋅ G f ⋅ C p

qh ⋅ G f ⋅ C p h

qh ⋅ G f ⋅ C p Viento

qh ⋅ G f ⋅ C p B

PLANTA

qz ⋅ G f ⋅ C p

qh ⋅ G f ⋅ C p

L




COEFICIENTES DE PRESIÓN EXTERNA Cp Coeficientes de Presión Externa sobre Techos en Arco, Cp (ASCE 7-05) (Dirección de viento perpendicular a cumbre del arco) Razón Cuarto de Cuarto de Mitad Flecha / Cuerda Arco Arco Condiciones Central r Sotavento Barlovento 0 < r < 0.20 -0.9 -0.7 - r -0.50 Techos sobre estructuras 0.20 ≤ r < 0.30* 1.5r - 0.30 -0.7 - r -0.50 elevadas 0.30 ≤ r ≤ 0.60 2.75r - 0.70 -0.7 - r -0.50 1.4r -0.7 - r -0.50 Techos desde el nivel de suelo 0 < r ≤ 0.60 *Cuando la razón flecha/cuerda es 0.20 ≤ r < 0.30, coeficientes alternados dados por 6r - 2.1 deberán también ser usados para el cuarto de arco en barlovento. Notas: 1. Valores indicados para la determinación de Cargas Promedio sobre el Sistema Primario Resistente al Viento. 2. Los signos mas (+) y menos (-) significan presiones actuando hacia y f p desde las superficies, respectivamente. 3. Para el viento actuando paralelamente al eje del arco se usan los mismos coeficientes de presión que en el caso de un techo a dos aguas con la dirección del viento paralelo a la cumbre. f

q ⋅G ⋅C

L

Viento h

r=f/L


COEFICIENTES DE PRESIÓN EXTERNA Cp ELEVACION

qh ⋅ G f ⋅ C p h

qh ⋅ G f ⋅ C p

PRESION SOBRE LAS PAREDES VIENTO PARALELO A CUMBRE DEL ARCO

qh ⋅ G f ⋅ C p

qh ⋅ G f ⋅ C p

qh ⋅ G f ⋅ C p B

PLANTA

L

qz ⋅ G f ⋅ C p

Viento




COEFICIENTES DE PRESIÓN EXTERNA Cp qh ⋅ G f ⋅ C p Coeficientes de Presión Externa sobre Techos en Arco, Cp (ASCE 7-05) (Dirección de viento paralelo a cumbre del arco)

h/L

≤ 0.50

≥ 1.0

Distancia Horizontal desde la cara de Sotavento

Cp

0 - h/2 h/2 - h h - 2h > 2h 0 - h/2 >h/2

-0.9, -0.18 -0.9, -0.18 -0.5, -0.18 -0.3, -0.18 -1.30**, -0.18 -0.70, -0.18

Viento // cumbre


COEFICIENTES DE PRESIÓN INTERNA GCpi Coeficientes de Presión Interna (ASCE 7-05) Clasificación de Aberturas

GC pi

Construcciones Abiertas

0.00

Construcciones Parcialmente Cerradas Construcciones Cerradas

+0.55 -0.55 +0.18 -0.18

Deberán considerarse dos casos para determinar los requerimientos de carga critica: (i) Un valor positivo de GC pi aplicado a todas las superficies internas (ii) Un valor negativo de GC pi aplicado a todas las superficies internas




PRESIONES (p) SOBRE TECHO DE ARCO DE CELOSIA EJEMPLO ANALIZADO EN ESTA CONFERENCIA VIENTO PARALELO A LA CUMBRE V3s = 76 KPH

p = 35 kg / m2

p = q ⋅ G f ⋅ C p − qi ⋅ (GCpi )


PRESIONES (p) SOBRE TECHO DE ARCO DE CELOSIA CASO NO ANALIZADO EN ESTA CONFERENCIA VIENTO PARALELO A LA CUMBRE Y VELOCIDADES DE DISENO ALTAS (TIPICO DE INSTALACIONES EN MINAS – CASO MAS CRITICO) V = 100 A 120 KPH

p = 75 a 105 kg / m2

p = q ⋅ G f ⋅ C p − qi ⋅ (GCpi )



Se estudia solo un caso: Viento paralelo a la cumbre, tímpano con abertura

ARCOARCO-COLUMNA Cargas de viento CW

Peso Pared Aledaña

ARCOARCO-COLUMNA Cargas Muertas CM



deformada

0.8CM + CW

ARCOARCO-COLUMNA Deformada para cargas de viento

0.8CM + CW Rel.= esfuerzo actuante/esfuerzo admisible

ARCOARCO-COLUMNA RESULTADOS



0.8CM + CW

ARCOARCO-COLUMNA Reacciones

Peso Estructura: 1000kgf

Columna tubo 6”std

Columna tubo 6”std

ARCOARCO-COLUMNA Columnas tubos de acero 6” 6”std



Deformada supuesta

0.8CM + CW

ARCOARCO-COLUMNA Columnas de tubos de acero Deformada

Rel.=Esfuerzo actuante/esfuerzo permisible

0.8CM + CW ARCO-COLUMNA Columnas de tubos de acero Resultados de la verificación



Techo de arco de celosí celosía caí caído 3

Pórtico de celosí celosía con techo curvo Perspectiva

ALTERNATIVA



Peso: 1150kgf Planchas de cubierta : 186m2

Separación : 6m

Separación entre pórticos: 6m

PÓRTICO DE CELOSÍ CELOSÍA CON TECHO CURVO



deformada

Cargas verticales: CM + CV

PÓRTICO CON TECHO CURVO Deformada para CM + CV

Resultado de la verificación para CM + CV


PÓRTICO CON TECHO CURVO RESULTADO DEL ANALISIS Y VERIFICACIÒN



deformada

0.8CM + CW

PÓRTICO CON TECHO CURVO Deformada para 0.8CM + CW


PÓRTICO CON TECHO CURVO Resultado de la verificació verificación para 0.8CM + CW



Kgf PÓRTICO CON TECHO CURVO Kgf

Reacciones verticales para CM + CV

PÓRTICO CON TECHO CURVO Reacciones horizontales para CM + CV



PÓRTICO CON TECHO CURVO Reacciones verticales para 0.8CM + CW

PÓRTICO CON TECHO CURVO Reacciones verticales para 0.8CM + CW



Conclusiones

¾

Los arcos metálicos de celosía apoyados sobre columnas de concreto armado son seguros si se tiene cuidado con la cimentación por la tendencia al volteo de las zapatas por las cargas de viento.

Conclusiones

¾

Los arcos metálicos apoyados sobre columnas de acero deben ser cuidadosamente analizados en zonas donde el viento es un característica importante para las cargas. Sería preferible no usar columnas de tubos de acero.



Conclusiones

¾ Una solución de alternativa puede ser el

uso de pórticos de celosía con techos curvos. Aunque se emplea mas material en su fabricación, existe menos área de planchas de cubierta, menos volumen interno encerrado y la cimentación es más simple.

Gracias


Arcos en Celosia

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