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calculo de nave industrial

Date post: 20-Feb-2016
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diseño de galpón con puente grúa de aproximadamente 2000 m2 .trabajo final de la asignatura de diseño de estructuras metálicas, Ing civil UBB
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Depto. de ING. Civil y Ambiental DISEÑO DE ESTRUCTURAS METALICAS (450014) “NAVE INDUSTRIALIntegrantes: Gamalier Hernández Carvajal. Profesor: Oscar Gutiérrez. Fecha: 28/08/2015.
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Page 1: calculo de nave industrial

Depto. de ING. Civil y Ambiental

DISEÑO DE

ESTRUCTURAS

METALICAS (450014)

“NAVE INDUSTRIAL”

Integrantes: Gamalier Hernández Carvajal.

Profesor: Oscar Gutiérrez.

Fecha: 28/08/2015.

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2

Índice

1. Objetivos ..................................................................................................................................... 3

1.1. Datos del diseño. ................................................................................................................. 3

2. Análisis de carga .......................................................................................................................... 4

2.1. Análisis sísmico .................................................................................................................... 4

3. Estructuración ............................................................................................................................. 6

4. Predimensionamiento ................................................................................................................. 7

4.1. Vigas .................................................................................................................................... 7

4.2. Columnas ........................................................................................................................... 10

4.3. Arriostramientos ............................................................................................................... 13

5. Ingreso de cargas....................................................................................................................... 16

5.1. Normativa y códigos usados ............................................................................................. 21

5.2. Combinaciones de cargas .................................................................................................. 22

5.3. Determinación periodo de la estructura y coeficiente sísmico ........................................ 23

5.4. Determinación de Fuerza sísmica ..................................................................................... 24

5.5. Cargas de impacto ............................................................................................................. 27

6. Verificación de elementos ......................................................................................................... 30

6.1. Columnas ........................................................................................................................... 30

6.2. Vigas .................................................................................................................................. 36

6.3. Arriostramiento ................................................................................................................. 43

7. Control de deformaciones ......................................................................................................... 46

8. Disponibilidad de materiales ..................................................................................................... 50

9. Conclusión ................................................................................................................................. 56

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3

1. Objetivos

Los objetivos de carácter general que persiguen a este trabajo, principalmente son los

siguientes:

- Obtener experiencia en el cálculo de estructuras metálicas.

- Diseñar una estructura metálica de manera de cumplir con ciertos requisitos que nos

otorgan las normativas, acompañando de un criterio ingenieril.

- Cumplir con la verificación de los elementos estructurales por lo que está compuesto está

estructura (columnas, vigas, arriostramientos y otros elementos).

1.1. Datos del diseño. Nave industrial con porta grúa solicitada por empresa regional, para ensamble y/o

agrupación de equipo afín con el rubro de la empresa.

Nave industrial principal de 1320 M2 de superficie, mas galpón segundario de 720 M2 de

superficie.

Perfiles laminados, canales, I, ángulo, cuadrados y rectangulares, PV6 (techumbre y

revestimiento).

Tipo de suelo: Tipo III

Ubicación: Costa de chile (Talcahuano), Región del Bío-Bío, Chile.

Breve descripción:

El proyecto consiste en diseñar y calcular una "Nave industrial", que será utilizada

posteriormente para el ensamblaje y fabricación de maquinaria y/o otro tipo de

almacenamiento de materiales de grandes dimisiones. Está estructura resistente de tipo

metálico de grandes dimensiones estará cerrada en su perímetro. Dicha estructura, estará

montada en un terreno de la empresa regional ubicada en Talcahuano, para el cual no se

presenta ninguna dificultad de tipo social y/o legal para poder construirlo.

Page 4: calculo de nave industrial

4

2. Análisis de carga

Nuestra nave industrial de grandes dimensiones, posee un puente grúa en su interior el

cual puede levantar hasta 18 (T), las cuales se transmiten a través de su viga y marcos

soportantes hasta llegar a la fundación de nuestra estructura.

Además podemos decir que la estructura está sometido a sismos y vientos de importante

significancia en el diseño de nuestra nave.

A continuación se muestra el diseño final de la nave industrial soportante de dichas cargas.

2.1. Análisis sísmico

Debido a la ubicación de la estructura en zona sísmica, se realiza el análisis sísmico, la cual

traduce al efecto que produce una carga de corte basal distribuida en la estructura.

De acuerdo a la norma NCh 2369-2003 “Diseño Sísmico de Estructuras Industriales” para

poder determinar las cargas por sismo, es necesario hacer un análisis como mínimo para

dos ejes coplanares. Para las características de la estructura, se realiza mediante el

análisis modal de tipo estático según las condiciones que establece dicha norma.

La magnitud del sismo representada por el corte basal Qoxy Qoz, se obtiene mediante el

coeficiente sísmico C, que de acuerdo a la norma ya citada anteriormente, se determina

mediante la siguiente ecuación:

Page 5: calculo de nave industrial

5

𝒄 =𝟐.𝟕𝟓∗ 𝐀𝟎

𝐠∗𝐑∗ (

𝐓′

𝐓∗)𝐧

∗ (𝟎.𝟎𝟓

𝛏)

𝟎.𝟒

Donde:

𝑨𝟎 : Aceleración efectiva máxima, según la zonificación sísmica.

R : Factor de modificación de la respuesta.

T ‘, n : Parámetros relativos al tipo de suelo de fundación.

𝞷 : Razón de amortiguamiento.

T* : Periodo fundamental de la estructural en la dirección de análisis.

Para determinar el amortiguamiento de la estructura, la norma en la tabla 5.5 de la Nch

2369 of 2003, hace diferencia de acuerdo al sistema constructivo. Para nuestro caso, se

considera un amortiguamiento 𝞷=0.03, esto ya que se encuentra en la categoría de “Marcos

de acero con uniones de terreno apernadas, con o sin arriostramiento”

Según zonificación sísmica, en Chile (Costa), corresponde a un A0 = 0.4 g.

Los parámetros del suelo T’ y n, se obtienen de la tabla 5.4 de la norma Nch 2369 y

corresponden a:

T’= 0.62 seg. y n= 1,80 (suelo tipo III).

El valor del coeficiente de modificación de respuestas R se obtiene de la tabla 5.6, entrando

en la categoría “Edificios y estructuras de marcos dúctiles de acero con elementos no

estructurales dilatados”, por lo que R=5.

De acuerdo a los actuales estándares de clasificación del suelo se utiliza el coeficiente

máximo en x y en z para el tipo de zona y su emplazamiento.

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6

𝐶𝑥,𝑧 Máx = 0.23 (tabla 5.7 Nch2369 of 2003 para R=5 y ε=0.03).

Cmin= 0.25*(A0/g)

Qbasal = C ∗ I ∗ P

Donde:

Qbasal = Esfuerzo de corte basal producto de un sismo.

I= coeficiente de importancia.

C=coeficiente sísmico.

3. Estructuración Columnas

Las columnas principales de la nave industrial fueron diseñadas con perfil W14x53 las que

se posicionaron paralelas al eje X con respecto a la propia alma del perfil en su eje fuerte,

para otorgar mayor resistencia contra el viento horizontal que afecta la nave.

Vigas

Para las vigas principales se optó por diseñar con vigas W18x86 las cuales poseen gran

resistencia en eje fuerte, especiales para recibir cargas perpendiculares a eje longitudinal

de esta y controlar deformaciones para luces muy grandes.

Arriostramientos laterales

Los arriostramientos laterales 2XL, fueron elegidos exclusivamente por su doble eje de

simetría lo que quiere decir que no posee un eje débil, especial para comprimirse y

traccionarse.

Arriostramientos de techo

Los arriostramientos de techo, Stube 5x0.5 (cm) fueron elegidos por su doble eje de simetría

y gran resistencia contra vientos, sismos y pesos.

Columnas de viento

Se decidió optar por columnas IPE400 las cuales entregan una muy buena resistencia en

su eje fuerte. Estos fueron orientados en su eje fuerte paralelos al eje Z de nuestro plano

cartesiano, para controlar todo el esfuerzo y deformación provocada por el viento frontal

que recibe nuestra nave.

Vigas puntales de techo

Las vigas puntales Stube15x0.5 (cm) fueron elegidas por su doble eje de simetría y su gran

resistencia, además de cumplir la función de distribuir la carga de techo, viento y sismo a

sus arriostramientos, vigas y columnas, funciona como elemento disipador de fuerzas.

Page 7: calculo de nave industrial

7

Viga soportante de riel de grúa

La viga soportante de riel IPE400, fue elegida por su gran resistencia para cargas

perpendiculares a su eje longitudinal, además de un excelente peso con respecto a sus

dimensiones.

Viga reticulada

Viga reticulada construida en base a 2 perfiles canales (15x5x0.5cm) opuestos y unidos a

su vez por ángulos (3x3x0.3cm), que conforman las viga. Se caracteriza por alta resistencia

a bajo peso por metro lineal.

4. Predimensionamiento

4.1. Vigas VIGAS PRINCIPALES

Cargas que se encuentran en el análisis de esta viga.

Carga de mantención: 300 [kg/m].

Carga de techo: 8.9 [kg/m].

Luz de viga: 11[m].

Ma = 6.2 (T ∗ m)

Mb = 3.1 (T ∗ m)

Page 8: calculo de nave industrial

8

Para pre diseño: σ = 0.25 ∗ fy

Wx =M

0.25∗fy∗𝑐𝑏=

6.2 (T∗m)∗1000(kg)∗100(cm)

0.25∗2531(kg

m2)∗1.3= 754 (cm3)

Según catalogo Copromet, el perfil elegido para las vigas principales sería un IPE

330 o un W16x26, este último con un valor menor de Wx ya que su fy es mayor.

VIGAS RETICULADAS

Cargas que se encuentran en el análisis de esta viga.

Carga de mantención: 280 [kg].

Largo arriostramiento: 1.2 [m].

Carga solicita, por método de los nudos: 0.421[T].

𝐹. 𝑆 = 0.421 ∗ 0.3 = 0.12 (𝑡𝑜𝑛)

M = F. S ∗ l = 0.12 (ton) ∗ 1.2 (mt) = 0.144 (ton ∗ mt)

𝑊𝑋 = 𝑀

0.25∗𝑓𝑦∗𝑐𝑏=

0.144 (𝑡𝑜𝑛∗𝑚𝑡𝑠)∗1000 (𝑘𝑔)∗100 (𝑐𝑚)

0.25∗3500 (𝑘𝑔

𝑚2)∗2= 12.6 (𝑐𝑚3)

Según catalogo Copromet, el perfil elegido para las vigas retículas sería un perfil

C150x75x0.4.

Page 9: calculo de nave industrial

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VIGAS RIEL

Cargas que se encuentran en el análisis de esta viga.

Carga de impacto vertical: 1980 [kg/m].

Luz de viga: 6[m].

Ma = 11.8 (T ∗ m)

Mb = 5.94 (T ∗ m)

Para pre diseño: σ = 0.25 ∗ fy

Wx =M

0.25∗fy∗𝑐𝑏=

11.8 (T∗m)∗1000(kg)∗100(cm)

0.25∗2531(kg

m2)∗1.3= 1435(cm3)

Según catalogo Copromet, el perfil elegido para las vigas principales sería un IPE

450.

Page 10: calculo de nave industrial

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4.2. Columnas

COLUMNAS PRINCIPALES

Cargas que se encuentran en el análisis de esta columna.

Peso de levante grúa: 18 [T].

Largo columna: 10[m].

𝐹. 𝑆 = 18 ∗ 0.3 = 5.4 (𝑡𝑜𝑛)

M = F. S ∗ l = 5.4 (ton) ∗ 10 (mt) = 54 (ton ∗ mt)

W = 𝑀

0.25∗𝑓𝑦∗𝑐𝑏=

54 (𝑡𝑜𝑛∗𝑚𝑡𝑠)∗1000 (𝑘𝑔)∗100 (𝑐𝑚)

0.25∗3500 (𝑘𝑔

𝑚2)∗2= 3085 (𝑐𝑚3)

Según catalogo Copromet, el perfil elegido para las columnas principales sería un

W24x76.

Page 11: calculo de nave industrial

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COLUMNAS SECUNDARIAS

Cargas que se encuentran en el análisis de esta columna.

Carga de viento horizontal: 0.226 [T/M].

Largo columna: 5[m].

Ma = 0.941 (T ∗ m)

Mb = 0.470 (T ∗ m)

Para pre diseño: σ = 0.25 ∗ fy

Wx =M

0.25∗fy∗𝑐𝑏=

0.941 (T∗m)∗1000(kg)∗100(cm)

0.25∗3500(kg

m2)∗1.3= 83 (cm3)

Según catalogo Copromet, el perfil elegido para las vigas principales sería u

W6x15.

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COLUMNAS DE VIENTO

Cargas que se encuentran en el análisis de esta columna.

Carga de viento frontal: 0.51 [T/M].

Largo columna: 10[m].

Ma = 8.5 (T ∗ m)

Mb = 4.25 (T ∗ m)

Para pre diseño: σ = 0.25 ∗ fy

Wx =M

0.25∗fy∗𝑐𝑏=

8.5 (T∗m)∗1000(kg)∗100(cm)

0.25∗2531(kg

m2)∗1.3= 1034 (cm3)

Según catalogo Copromet, el perfil elegido para las columnas principales sería un

IPE360.

Page 13: calculo de nave industrial

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Nota: para los siguientes análisis se debe analizar por métodos de análisis

estructural, el utilizado acá fue el método de los nudos para saber las reacciones

internas de los elementos en estudio.

4.3. Arriostramientos ARRIOSTRAMIENTOS DE TECHO

Cargas que se encuentran en el análisis de esta viga.

Sismo en Z: 240 [kg].

Largo arriostramiento: 4.2 [m].

Carga solicita, por método de los nudos: 0.339[T].

𝐹. 𝑆 = 0.339 ∗ 0.3 = 0.1 (𝑡𝑜𝑛)

M = F. S ∗ l = 0.1 (ton) ∗ 4.2 (mt) = 0.42 (ton ∗ mt)

W = 𝑀

0.25∗𝑓𝑦∗𝑐𝑏=

0.42 (𝑡𝑜𝑛∗𝑚𝑡𝑠)∗1000 (𝑘𝑔)∗100 (𝑐𝑚)

0.25∗3500 (𝑘𝑔

𝑚2)∗2= 24 (𝑐𝑚3)

Según catalogo Copromet, el perfil elegido para arriostramiento de techo sería un

perfil C75x75x0.4.

Page 14: calculo de nave industrial

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ARRIOSTRAMIENTOS LATERALES

Cargas que se encuentran en el análisis de esta viga.

Sismo en Z: 240 [kg].

Largo arriostramiento: 3.9 [m].

Carga solicita, por método de los nudos: 0.339[T].

𝐹. 𝑆 = 0.339 ∗ 0.3 = 0.1 (𝑡𝑜𝑛)

M = F. S ∗ l = 0.1 (ton) ∗ 3.9 (mt) = 0.39 (ton ∗ mt)

W = 𝑀

0.25∗𝑓𝑦∗𝑐𝑏=

0.39 (𝑡𝑜𝑛∗𝑚𝑡𝑠)∗1000 (𝑘𝑔)∗100 (𝑐𝑚)

0.25∗3500 (𝑘𝑔

𝑚2)∗2= 3.4 (𝑐𝑚3)

Según catalogo Copromet, el perfil elegido para arriostramiento lateral sería un

perfil, ángulo de 6x6x0.3 (cm).

Page 15: calculo de nave industrial

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ANÁLISIS FINAL DEL PREDIMENSIONAMIENTO

Los perfiles elegidos a través de cálculos anteriores, fueron dispuestos en el RAM Elements

para verificar su comportamiento antes las cargas solicitadas. Se obtuvo que algunas

columnas y vigas estaban sobredimensionados (lo que genera mayor costo de materiales)

y otros estaban sobreexigidos, esto se debe a que solo se hace un análisis simple ocupando

solo algunas fuerzas de las que realmente actúan sobre el elemento y analizando solo su

módulo resistente, lo que provoca que existan errores en la elección del perfil.

Finalmente se entrega la nómina final de secciones ocupadas.

Elemento estructural Sección

Viga principal W 18x86

Viga riel IPE 400

Viga reticulada C 150x50x5 / A30x3

Viga soportante de Viga riel IPE 270

Viga marco de la puerta W 12x40

Columnas principales W 14X53

Columnas secundarias W 8X31

columnas de viento IPE 400

Arriostramientos de techo STUBE 50x5

Arriostramientos laterales 2XL 50x50x5

Vigas puntales STUBE 150x150x50

Page 16: calculo de nave industrial

16

5. Ingreso de cargas El estudio de la capacidad de la estructura, depende directamente de la magnitud y tipo de

solicitaciones que tributan en la zona de estudio.

Peso propio: Con la estructura ya dimensionada, se considera la masa de la misma para el

efecto estático que depende directamente de las dimensiones de los perfiles estructurales

descritos anteriormente.

Más adelante, se incluirá el peso final que tiene la estructura con los perfiles elegidos, ya

que forma parte del análisis sísmico.

Sobrecarga de mantención: 300[kg/m]. Esta sobrecarga va dispuesta en la plataforma de

soportante de la techumbre.

1Kpa (NCH 1537, tabla 4).

𝑃 = 100 [𝑘𝑔

𝑚2] ∗ 11.08[𝑚] ∗ 6[𝑚] = 6648[𝑘𝑔]

𝑃𝑑𝑖𝑠𝑡 =6648[𝑘𝑔]

2[𝑣𝑖𝑔𝑎𝑠]∗

1

11.08[𝑚]= 300[𝑘𝑔/𝑚]

Page 17: calculo de nave industrial

17

Peso de techo: 8.9 [kg/m]. Esta sobrecarga va dispuesta en la plataforma de soportante

de la techumbre.

𝑃 = 5900 [𝑘𝑔

𝑚3] ∗ 11.08[𝑚] ∗ 6[𝑚] ∗ 0.0005[𝑚] = 197[𝑘𝑔]

𝑃𝑑𝑖𝑠𝑡 =197[𝑘𝑔]

2[𝑣𝑖𝑔𝑎𝑠]∗

1

11.08[𝑚]= 8.9[

𝑘𝑔

𝑚]

Viento frontal cara mayor: 510[kg/m] distribuida en la parte frontal de nuestra nave.

Donde:

𝑃𝑎𝑙𝑡 : Presión del viento a una altura igual 11 metros.

𝐴𝑡 = 𝐴𝑡𝑟𝑖𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 + 𝐴𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜 = 234.85[𝑚2]

𝐹 = 𝑃𝑎𝑙𝑡 ∗ 𝐴𝑡 = 130,08 [𝑘𝑔

𝑚2] ∗ 234.85[𝑚2] = 30550[𝑘𝑔]

𝐹𝑑𝑖𝑠𝑡 =30550[𝑘𝑔]

6[𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚]∗

1

10[𝑚]= 510[

𝑘𝑔

𝑚]

Page 18: calculo de nave industrial

18

Viento frontal cara menor: 501[kg/m] distribuida en la parte frontal de nuestra nave.

𝑃𝑎𝑙𝑡 : Presión del viento a una altura igual 6.5 metros.

𝐴𝑡 = 𝐴𝑡𝑟𝑖𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 + 𝐴𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜 = 69[𝑚2]

𝐹 = 𝑃𝑎𝑙𝑡 ∗ 𝐴𝑡 = 109 [𝑘𝑔

𝑚2] ∗ 69[𝑚2] = 7521[𝑘𝑔]

𝐹𝑑𝑖𝑠𝑡 =7521[𝑘𝑔]

3[𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚]∗

1

5[𝑚]= 501[

𝑘𝑔

𝑚]

Page 19: calculo de nave industrial

19

Viento Horizontal en variadas caras: se procederá a calcular las cargas distribuidas de

cada elemento.

Numero Área [m2]

Presión [kg/m2]

Peso [kg] Elementos a dividir

Largo del elemento [m]

Carga distribuida por elemento[kg/m]

1 60 127.2 7632.00 2 10 382

2 66.48 130.08 8647.72 2 11.08 390

3 66.48 130.08 8647.72 2 11.08 390

4 21 127.2 2671.20 2 3.5 382

5 72.6 104.5 7586.70 2 12.1 314

6 30 94 2820.00 2 5 282

Dado la norma NCH432, tenemos que a estas cargas distribuidas obtenidas recientemente

hay que multiplicarlas por los siguientes valores que corrigen los verdaderos efectos de las

cargas de viento horizontales sobre la nave industrial.

Numero Factores de corrección Carga distribuida por elemento[kg/m]

Carga distribuida por elemento final[kg/m]

1 0.4 382 152.64

2 0.4 390 156.096

3 (1.2*sin(0.7)-0.4) 390 100

4 0.8 382 305.28

5 (1.2*sin(0.7)-0.4) 314 80

6 0.8 282 225.6

Page 20: calculo de nave industrial

20

Carga de levante: Peso máximo que puede levantar el puente grúa que posee nuestra

nave industrial.

Page 21: calculo de nave industrial

21

5.1. Normativa y códigos usados

El método de diseño utilizado es el ASD (esfuerzos admisibles), el que se caracteriza por

el uso de cargas de trabajo (de valores nominales fijados por los códigos) no factorizadas,

con la adopción simultanea de un coeficiente de o factor único de seguridad, que se aplica

a la resistencia nominal.

Ante cualquier anteproyecto de tipo estructural, se deben considerar las normas

establecidas por el Instituto Nacional de Normalización (INN), las cuales nos permiten

simultánea y posteriormente modelar, analizar cargas, realizar un diseño estructural y

controlar las deformaciones, entre otras. Para nuestro estudio, consideraremos las

siguientes normativas:

NCh 1537 (Diseño estructural de edificios – Cargas permanentes y sobrecargas de uso)

NCh 3171 of 2010 (Diseño estructural - Disposiciones generales y combinaciones de

cargas)

NCh 2369 of 2003 (Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales)

NCh 432 of 2010 (Diseño estructural – Cargas de viento)

Las combinaciones de carga para cada uno de los estados de carga presentes en nuestro

análisis de estudio, se obtienen de la norma Nch317 of 2010 junto con las combinaciones

de carga dispuestas en NCh 2369 of 2003. A su vez, esta última, permite determinar la

magnitud del sismo representado por el corte basal a través de distintos parámetros y

coeficientes (descrito en su respectivo ítem).

Las presiones de viento son obtenidas a través de la norma NCh 432 of 2010 (descrito en

su respectivo ítem).

En la sobrecarga de uso, se debe considerar a los trabajadores y sus respectivos equipos,

para realizar cualquier tipo de mantención que se necesite en un futuro. (Descrito en su

respectivo ítem).

Nota: Las cargas permanentes de techumbre, fueron calculadas a través de los

catálogos Cintac.

Page 22: calculo de nave industrial

22

5.2. Combinaciones de cargas

Las combinaciones de cargas que se emplean, se extraen de la norma Nch3171 Of 2010

para cada uno de los estados de cargas que participan en la estructura del estudio junto a

las combinaciones de carga de NCh 2369 Of 2003.

Numero Abreviación Carga

1 PP peso propio

2 PTCH peso techo

3 PLVTE peso de levante

4 SCMT sobrecarga mantención techo

5 VNTH carga de viento H

6 VNTF carga de viento F

7 SX sismo en X

8 SZ sismo en Z

9 FL frenado longitudinal

10 FT frenada transversal

11 IV impacto vertical

ID PP PTCH PLVTE

SCMT

VNTH

VNTF SX SZ FL FT IV

C1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1

C2 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0

C3 1 1 0.75 0.75 0 0 0 0 0.75 0.75 0.75

C4 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0

C5 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0

C6 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0

C7 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0

C8 1 1 0 0.75 0.75 0 0 0 0.75 0 0

C9 1 1 0 0.75 0.75 0 0 0 0 0.75 0

C10 1 1 0 0.75 0.75 0 0 0 0 0 0.75

C11 1 1 0 0.75 0 0.75 0 0 0.75 0 0

C12 1 1 0 0.75 0 0.75 0 0 0 0.75 0

C13 1 1 0 0.75 0 0.75 0 0 0 0 0.75

C14 1 1 0 0 0 0 0.75 0 0.75 0 0

C15 1 1 0 0 0 0 0.75 0 0 0.75 0

C16 1 1 0 0 0 0 0.75 0 0 0 0.75

C17 1 1 0 0 0 0 0 0.75 0.75 0 0

C18 1 1 0 0 0 0 0 0.75 0 0.75 0

C19 1 1 0 0 0 0 0 0.75 0 0 0.75

C0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0

Page 23: calculo de nave industrial

23

5.3. Determinación periodo de la estructura y coeficiente sísmico

Para la determinación del coeficiente sísmico lo primero que se debe obtener es la rigidez

de la estructura para los dos sismos en x e y respectivamente.

Esta se obtiene aplicando una fuerza unitaria la cual provoca un desplazamiento en un

nodo, de esta relación se obtiene.

𝑘 = F

∆X

𝐾𝑥 =1000[𝑘𝑔]

0.00621[𝑚]= 161031[

𝑘𝑔

𝑚]

𝐾𝑧 =1000[𝑘𝑔]

0.00025[𝑚]= 4000000[

𝑘𝑔

𝑚]

Masa total de la estructura: 93190[kg] lista de materiales de RAM.

𝑊𝑥 = √(161031 [𝑘𝑔

𝑚] ∗ 9.8 [

𝑚

𝑠2])/93190[𝑘𝑔] = 4.11[

𝑟𝑎𝑑

𝑠]

𝑊𝑧 = √(4000000 [𝑘𝑔

𝑚] ∗ 9.8 [

𝑚

𝑠2])/93190[𝑘𝑔] = 20.5[

𝑟𝑎𝑑

𝑠]

Se obtienen las frecuencias y periodos.

𝑓𝑥 =2∗𝜋

4.11= 1.53[𝐻𝑧] 𝑓𝑧 =

2∗𝜋

20.5= 0.306[𝐻𝑧]

𝑇𝑛𝑥 =1

1.53= 0.65[𝑠𝑒𝑔] 𝑇𝑛𝑧 =

1

0.306= 3.26[𝑠𝑒𝑔]

Determinación del coeficiente C.

c =2.75 ∗ A0

g ∗ R∗ (

T′

T∗)

n

∗ (0.05

ξ)

0.4

𝐶𝑥 =2.75 ∗ 0.4 ∗ 𝑔

5 ∗ 𝑔∗ (

0.62

0.65)

1.8

∗ (0.05

0.03)

0.4

= 0.25

𝐶𝑧 =2.75 ∗ 0.4 ∗ 𝑔

5 ∗ 𝑔∗ (

0.62

3.26)

1.8

∗ (0.05

0.03)

0.4

= 0.013

Entregados estos valores, podemos darnos cuenta que el valor para sismo en X

en un poco mayor al permitido, (c=0.23 para R=5 y 𝞷=0.03) por lo que se trabajara

con el valor máximo permitido para ambos casos, simulando el caso más desfavorable.

Page 24: calculo de nave industrial

24

5.4. Determinación de Fuerza sísmica

Como se dijo anteriormente, la magnitud de la fuerza sísmica está dada por la obtención

del corte basal, ya que nuestra estructura presenta un solo piso y por ende, un grado de

libertad.

Por acción y reacción, se tiene: Corte basal = Fuerza sísmica

𝑄𝑏𝑎𝑠𝑎𝑙 = 𝐶 ∗ 𝐼 ∗ 𝑃

Donde:

𝑄𝑏𝑎𝑠𝑎𝑙 = 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑏𝑎𝑠𝑎𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑛 𝑠𝑖𝑠𝑚𝑜.

𝐼 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑖𝑚𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎.

𝑃 = 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑠í𝑠𝑚𝑖𝑐𝑜

Según la norma Nch 2369-2003, el coeficiente de importancia para la categoría 2, tiene un

valor de 1.

El peso sísmico es de 93190 (kg), ya que corresponde a todo el peso total de la estructura

sobre el nivel basal.

𝑄𝑏𝑎𝑠𝑎𝑙 = 0.23 ∗ 1 ∗ 93190[𝑘𝑔] = 21434[𝑘𝑔]

Las fuerzas inerciales del sismo actúan donde está más concentrada la masa, es decir, en

el centro de masa.

El centro de masa de la estructura se aproximó. (Ver fig.)

Page 25: calculo de nave industrial

25

Se procede a obtener los esfuerzos de las barras.

𝐹𝑠 ∗𝐻

3= 𝑇 ∗ 𝐵 ; 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑇

Donde T y C son las tensiones en la Barras con sentido opuesto.

𝐹𝑠 ∗H3

B= T = C

21434 ∗103

22= 3248[kg] = T = C

Determinadas estas fuerzas se procede a realizar el cálculo entre los elementos que se

repartirán esta carga total, esto se debe a la descomposición de la fuerza total proveniente

del sismo.

𝐹𝑣 =𝑇

𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠=

3248[𝑘𝑔]

33[𝑒𝑙𝑒𝑚]= 98[𝑘𝑔] ≈ 100[𝑘𝑔]

𝐹𝑥 =𝐹𝑆

𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠=

21434[𝑘𝑔]

44[𝑒𝑙𝑒𝑚]= 487[𝑘𝑔]

𝐹𝑧 =𝐹𝑆

𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠=

21434[𝑘𝑔]

88[𝑒𝑙𝑒𝑚]= 243[𝑘𝑔]

Page 26: calculo de nave industrial

26

A continuación se muestran las cargas aplicadas en la estructura para X y Z.

Sismo Z

Sismo X

Page 27: calculo de nave industrial

27

5.5. Cargas de impacto

Para el cálculo de esta sección se necesita del capítulo N°9 de la NCH 427,

Cargas de impacto.

Impacto transversal

Carga de Impacto transversal se calculara como: 20% de la suma total de carga que

puede levantar, más el peso del carro.

Plevante=18000 [KG].

PMaquina=1000 [kg].

𝑃𝑡 = 18000[𝑘𝑔] + 1000[𝑘𝑔] = 19000[𝑘𝑔]

𝐼𝑇 =19000[𝑘𝑔] ∗ 20%

𝑁° 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠 ∗ 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑖𝑟

𝐼𝑇 =19000[𝑘𝑔] ∗ 0.2%

2 ∗ 6[𝑚]= 317[

𝑘𝑔

𝑚]

Page 28: calculo de nave industrial

28

Impacto longitudinal

Se calculara con el 10% de las cargas máximas por rueda, aplicada en la cabeza del riel.

Pt=19000 [kg].

𝐼𝐿 =𝑃𝑡

𝑁° 𝑑𝑒 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎𝑠∗ 10%

𝐼𝐿 =19000[𝑘𝑔]

𝑁° 𝑑𝑒 𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎𝑠4∗ 0.1 = 475[𝑘𝑔]

Page 29: calculo de nave industrial

29

Impacto vertical

Las estructuras que reciben impacto deberán ser diseñadas considerando un incremento

de la sobrecarga dado por la tabla N°3 de la NCH 247.

Para nuestro caso el factor es: 25% (para Vigas porta grúas).

𝐼𝑉 =𝑃𝑡

𝑁° 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜𝑠∗

𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟

𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑

𝐼𝑉 =19000[𝑘𝑔]

2∗

1.25

6[𝑚]= 1980[

𝑘𝑔

𝑚]

Page 30: calculo de nave industrial

30

6. Verificación de elementos

6.1. Columnas Columna principal

Dada la serie de combinaciones de carga existente, se decidió trabajar con la combinación

de carga más desfavorable, combinación de cargas número 1.

El elemento a verificar a flexocompresión es la columna número 714.

Características de la columna: W14x53. Método de diseño ASD.

E=2.1e6 [kg/cm2]

A=100.645 [cm2]

Fy=3500 [kg/cm2]

iy =4.8 [cm]

ix=14.98 [cm]

Iy=2401 [cm3]

Sx=1274 [cm3]

Zx=1427 [cm3]

Ho=35 [cm]

J=80.75 [cm4]

Cw=682000 [cm6]

C=1

Cb=1.3 el factor de modificación fue observado de ejercicios similares.

Lb longitud de arriostramiento de nuestra columna= 5 [m]

Page 31: calculo de nave industrial

31

El valor del momento nominal 𝑀𝑛𝑥

𝑛 se obtuvo del programa MATLAB R2014a en donde se

programaron las fórmulas necesarias para la obtención de este resultado.

𝑀𝑛𝑥

𝑛= 30 [𝑡𝑜𝑛 ∗ 𝑚]

Una vez encontrado estos valores de momentos nominales, procedemos a calcular la

relación de esfuerzos (Rel), para esto necesitamos conocer las cargas que están actuando

en la columna, las cuales obtenemos a través de RAM ADVANCE para la configuración de

cargas número 1.

Momento solicitante en la viga número 714.

𝑀𝑛𝑥

𝑛= 11.24 [𝑡𝑜𝑛 ∗ 𝑚]

Page 32: calculo de nave industrial

32

El valor del momento nominal 𝑃𝑛𝑥

𝑛 se obtuvo del programa MATLAB R2014a en donde se

programaron las fórmulas necesarias para la obtención de este resultado.

Pnx

n= 97[ton]

Valor de la compresión demandada en la columna.

Pu

n= 36.5[ton]

Comprobación a flexión para el elemento.

Pu = 36.48 [ton]

Pn = 97 [ton]

Mux = 11.24 [ton ∗ m]

Mcx = 30.0072 [ton ∗ m]

Pu

Pn≥ 0.2

Pu

Pn+ 8/9 (

Mux

Mcx+

Muy

Mcy) ≤ 1

36.5

97+

8

9∗ (

11.24

30+

0

0) = 0.69 ≤ 1

La columna está trabajando al 69% de su capacidad.

Page 33: calculo de nave industrial

33

Relación de esfuerzo entregado por RAM Elements.

%Rel =0.67

0.69= 0.971 = 3% de diferencia entre relaciones de esfuerzo.

Columna de Viento

Dada la serie de combinaciones de carga existente, se decidió trabajar con la combinación

de carga más desfavorable, combinación de cargas número 5.

El elemento a verificar a flexión es la columna número 338.

Características de la columna: IPE 400. Método de diseño ASD.

E=2.1e6 [kg/cm2]

A=84.5 [cm2]

Fy=2531 [kg/cm2]

iy =3.9 [cm]

ix=16.24 [cm]

Iy=1314 [cm3]

Sx=1114.7 [cm3]

Zx=1260 [cm3]

Ho=38.4 [cm]

J=37.7 [cm4]

Cw=490000 [cm6]

Page 34: calculo de nave industrial

34

C=1

Cb=1.3 el factor de modificación fue observado de ejercicios similares.

Lb longitud de arriostramiento de nuestra columna= 5 [m]

El valor del momento nominal 𝑀𝑛𝑥

𝑛 se obtuvo del programa MATLAB R2014a en donde se

programaron las fórmulas necesarias para la obtención de este resultado.

𝑀𝑛𝑥

𝑛= 18.18 [𝑡𝑜𝑛 ∗ 𝑚]

Una vez encontrado estos valores de momentos nominales, procedemos a calcular la

relación de esfuerzos (Rel), para esto necesitamos conocer las cargas que están actuando

en la columna, las cuales obtenemos a través de RAM ADVANCE para la configuración de

cargas número 5.

Momento solicitante en la viga número 338.

𝑀𝑛𝑥

𝑛= 7.58 [𝑡𝑜𝑛 ∗ 𝑚]

Page 35: calculo de nave industrial

35

Comprobación a flexión para el elemento.

Pu = 0 [ton]

Pn = 0 [ton]

Mux = 7.58 [ton ∗ m]

Mcx = 18.18 [ton ∗ m]

Pu

Pn≤ 0.2

Pu

2 ∗ Pn+ (

Mux

Mcx+

Muy

Mcy) ≤ 1

0

2 ∗ 0+ (

7.58

18.18+ 0) = 0.42 ≤ 1

La columna está trabajando al 42% de su capacidad.

Relación de esfuerzo entregado por RAM Elements.

%Rel =0.42

0.43= 0.98 = 2% de error se debe a que no se consideraron pequeños

efectos como torsión y carga axial muy pequeños.

Page 36: calculo de nave industrial

36

6.2. Vigas Viga principal

Ahora se procederá a verificar la viga 553 a flexión para la combinación más desfavorable

(N°2), se desprecian los valores de carga axial y torsión al ser pequeños.

Características de la viga: W18x86. Método de diseño ASD.

E=2.1e6 [kg/cm2]

A=163.22 [cm2]

Fy=3500 [kg/cm2]

iy =6.6 [cm]

ix=19.75 [cm]

Iy=7284 [cm3]

Sx=2720 [cm3]

Zx=3047 [cm3]

Ho=42 [cm]

J=170.6 [cm4]

Cw=3650000 [cm6]

C=1

Cb=1.3 el factor de modificación fue observado de ejercicios similares.

Lb longitud de arriostramiento de nuestra columna= 5 [m]

El valor del momento nominal 𝑀𝑛𝑥

𝑛 se obtuvo del programa MATLAB R2014a en donde se

programaron las fórmulas necesarias para la obtención de este resultado.

Page 37: calculo de nave industrial

37

𝑀𝑛𝑥

𝑛= 58 [𝑡𝑜𝑛 ∗ 𝑚]

Momento solicitante en la viga número 553.

𝑀𝑛𝑥

𝑛= 14.4 [𝑡𝑜𝑛 ∗ 𝑚]

Tanto la torsión como la compresión entregan un valor en conjunto del 0.05, al valor total.

Comprobación a flexión para el elemento 553

Pu = 0 [ton]

Pn = 0 [ton]

Page 38: calculo de nave industrial

38

Mux = 14.4 [ton ∗ m]

Mcx = 58.9 [ton ∗ m]

Pu

Pn≤ 0.2

Pu

2 ∗ Pn+ (

Mux

Mcx+

Muy

Mcy) ≤ 1

0

2 ∗ 0+ (

14.4

58.9+ 0) = 0. 24 ≤ 1

24% de la capacidad dada por flexión, adicionalmente se le agrega el porcentaje entregado

por la torsión y la compresión, obteniendo un valor final del 29%.

La viga está trabajando al 29% de su capacidad. Este bajo trabajo de la viga provoca sé

que controle a cabalidad la deformación vertical.

Relación de esfuerzo entregado por RAM Elements.

%Rel =0.29

0.29= 1 = 0% de diferencia entre relaciones de esfuerzo.

Page 39: calculo de nave industrial

39

Viga Riel

Dada la serie de combinaciones de carga existente, se decidió trabajar con la combinación

de carga más desfavorable, combinación de cargas número 1.

El elemento a verificar a flexión es la viga número 709.

Características de la columna: IPE 400. Método de diseño ASD.

E=2.1e6 [kg/cm2]

A=84.5 [cm2]

Fy=2531 [kg/cm2]

iy =3.9 [cm]

ix=16.24 [cm]

Iy=1314 [cm3]

Ix=22295 [cm3]

Sx=1114.7 [cm3]

Sy=146.02 [cm3]

Zx=1260 [cm3]

Zy=218.7 [cm3]

Ho=38.4 [cm]

J=37.7 [cm4]

Cw=490000 [cm6]

C=1

Cb=1.13

El factor de modificación fue observado de ejercicios similares.

Lb longitud de arriostramiento de nuestra columna= 6 [m]

Page 40: calculo de nave industrial

40

El valor del momento nominal M33 𝑀𝑛𝑥

𝑛 se obtuvo del programa MATLAB R2014a en donde

se programaron las fórmulas necesarias para la obtención de este resultado.

𝑀𝑛𝑥

𝑛= 18.5 [𝑡𝑜𝑛 ∗ 𝑚]

El valor del momento nominal M22, 𝑀𝑛𝑥

𝑛 se obtuvo del programa MATLAB R2014a en

donde se programaron las fórmulas necesarias para la obtención de este resultado.

𝑀𝑛𝑥

𝑛= 3.37 [𝑡𝑜𝑛 ∗ 𝑚]

Una vez encontrado estos valores de momentos nominales, procedemos a calcular la

relación de esfuerzos (Rel), para esto necesitamos conocer las cargas que están actuando

en la columna, las cuales obtenemos a través de RAM ADVANCE para la configuración de

cargas número 1.

Page 41: calculo de nave industrial

41

Momento solicitante en la viga número 709.

𝑀𝑛𝑥

𝑛= 7.47 [𝑡𝑜𝑛 ∗ 𝑚]

Muy

𝑛= 1.34[ton ∗ m]

Comprobación a flexión para el elemento.

Pu = 0 [ton]

Pn = 0 [ton]

Muy = 1.3[ton]

Mcy = 3.3[ton]

Mux = 7.5 [ton ∗ m]

Mcx = 18.1 [ton ∗ m]

Pu

Pn≤ 0.2

Pu

2 ∗ Pn+ (

Mux

Mcx+

Muy

Mcy) ≤ 1

0

2 ∗ 0+ (

7.58

18.18+

1.34

3.3) = 0.8 ≤ 1

La viga está trabajando al 80% de su capacidad.

Page 42: calculo de nave industrial

42

Relación de esfuerzo entregado por RAM Elements.

%Rel =0.8

0.79= 1.01 = 1% de diferencia entre relaciones de esfuerzo.

Page 43: calculo de nave industrial

43

6.3. Arriostramiento Arriostramiento lateral

Se va a comprobar el arriostramiento N° 722 a compresión y tracción, para la combinación

de carga más desfavorable N°19.

Características de la viga: IPE-240 A36. Método de diseño ASD.

E=2.1e6 [kg/cm2]

A=9.5 [cm2]

Fy=2531 [kg/cm2]

iy =2.1 [cm]

ix=2.2 [cm]

Iy=42 [cm3]

Sx=11 [cm3]

Zx=15 [cm3]

Ho=5 [cm]

J=0.792 [cm4]

Cw=4.465 [cm6]

C=1

Lb longitud de arriostramiento de nuestra columna= 3.9 [m]

El valor del esfuerzo nominal𝑃𝑛𝑥

𝑛 se obtuvo del programa MATLAB R2014a en donde se

programaron las fórmulas necesarias para la obtención de este resultado.

Capacidad a compresión.

Page 44: calculo de nave industrial

44

𝑃𝑛𝑥1

𝑛= 3.2 [𝑡𝑜𝑛]

Capacidad a tracción obtenida directamente de RAM Elements.

𝑃𝑛𝑥2

𝑛= 14.4 [𝑡𝑜𝑛]

De la carga axial que está actuando en la viga tenemos:

Pu1 = 1.37[ton]

De la carga axial que está actuando en la viga tenemos:

Pu2 = 1.89[ton]

Page 45: calculo de nave industrial

45

Pu1 = 1.37[ton]

Pnx1 = 3.2 [ton]

Pu2 = 1.89 [ton]

Pnx2 = 14.4 [ton]

Pu

Pn≥ 0.2

Pu

Pn+

8

9∗ (

Mux

Mcx+

Muy

Mcy) ≤ 1

1.37

3.2+

1.89

14.4+

8

9∗ (

0

0+

0

0) = 0.59 ≤ 1

Por lo tanto el arriostramiento resiste las cargas solicitantes, exigiendo el 59% de su

capacidad.

De RAM ADVANCE se obtiene un valor de esfuerzo arriostramiento de: 0.79

%Rel =0.55

0.54= 1.01 = 1% de diferencia entre relaciones de esfuerzo.

Page 46: calculo de nave industrial

46

7. Control de deformaciones Las deformaciones cumplen un rol de serviciabilidad, por ello se estudia el índice de

desplazamiento de los elementos ante las solicitaciones establecidas en las combinaciones

de carga. Las deformaciones validas a verificar corresponden a:

- Deformación lateral

- Deformación vertical

Según NCh 427, Cálculo, Construcción y Fabricación de Estructuras de Acero, permite los siguientes valores admisibles para deformaciones verticales: Viga principal: Δ/Luz=L/350 Columna de viento: Δ/Luz=L/200 Viga porta grúa: Δ/Luz =L/1000 Viga principal:

Teniendo como deformación máxima admisible:

Δmáx = 2200/350=6,2 cms. La máxima deformación calculada en RAM Elements:

Page 47: calculo de nave industrial

47

Δy máx = |6.2 − 5.06)| = |0.00294| = 1.2 cms. Por lo tanto, la estructura cumple satisfactoriamente la deformación máxima admisible vertical para la combinación de carga más desfavorable (C0).

Viga riel:

Teniendo como deformación máxima admisible:

Δmáx = 600/1000=0.6 cms. La máxima deformación calculada en RAM Elements. (efecto de sobrecarga):

Page 48: calculo de nave industrial

48

Δy máx = |0.6 − 0.24)| = |0.36| = 0.36 cms.

Por lo tanto, la estructura cumple satisfactoriamente la deformación máxima admisible vertical para la combinación de carga más desfavorable (C1). Columna de viento:

Teniendo:

Δmáx = 1000/200=5 cms.

Page 49: calculo de nave industrial

49

La máxima deformación obtenida de RAM Elements:

Δz máx = |5 − (0.00621)| = |0.07639| = 4.99 cms.

Por lo tanto, la estructura cumple satisfactoriamente la deformación máxima admisible horizontal para la combinación de carga más desfavorable (C0).

Page 50: calculo de nave industrial

50

8. Disponibilidad de materiales Perfiles ángulos de 5x0.5 (cm) para la construcción de arriostramientos, disponibilidad

inmediata en WWW.CINTAC.CL

Page 51: calculo de nave industrial

51

Perfiles IPE 400 para columnas de viento y viga riel, disponibilidad inmediata en

WWW.COPROMET.CL

Page 52: calculo de nave industrial

52

Para las vigas principales tenemos W 18x86, disponibilidad inmediata en

WWW.COPROMET.CL

Page 53: calculo de nave industrial

53

Vigas puntales 150x150x5 y arriostramientos de techo. Disponibilidad inmediata en

WWW.COPROMET.CL, WWW.CINTAC.CL

Page 54: calculo de nave industrial

54

Para las columnas principales W 14x53, columnas secundarias W 8x31 y viga de marco de

puerta, tenemos disponibilidad inmediata en WWW.COPROMET.CL

Page 55: calculo de nave industrial

55

Page 56: calculo de nave industrial

56

9. Conclusión La finalidad de este trabajo consistió en definir los miembros de la estructura metálica

resistente, controlando la resistencia y las deformaciones que están presentes en esa

estructura, ocupando las normas chilenas de construcción. Para cumplir con este esencial

requisito, se han calculado los perfiles seleccionados, en base a las ecuaciones y formulas

presentadas en la asignatura de estructuras metálicas y diseño de estructuras metálicas,

además de la ayuda del software Matlab.

Creando así, una nave industrial capaz de resistir el peso de su grúa y levante, sismos y

vientos.


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