ejercicio final 2016-17 m4 2 estructura metÁlica con

P42 / CLIMENT + CRESPO + GIMENEZ 170524

Ejercicio final 2016-17 M4_2 ESTRUCTURA METÁLICA CON PERFILES DE PEQUEÑO ESPESOR

grupo

Climent Carlos, Enrique

Crespo Alcoceba, Jesús

Gimenez Martínez, Alvaro


ÍNDICE

0 Descripción del edificio

Bases de cálculo

Acciones consideradas en el cálculo

Características de los materiales

Coeficientes de seguridad adoptados

Coeficientes de simultaneidad

1 Forjado Planta Primera

2 Forjado Planta Segunda

3 Forjado Planta Cubierta

4 Cubierta

5 Entramados

Anejo

A1 Propiedades sección C220x37x1.5 (simple)

A2 Propiedades sección C220x37x1.5 (doble)


0. DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO

El objeto sobre el que se desarrolla el contenido del trabajo práctico es un edificio existente

de vivienda unifamiliar, formado por dos plantas y un espacio bajo cubierta, que será

reformado completamente.

La reforma prevista exige la demolición total de todos los elementos constructivos interiores

del inmueble, incluyendo su cubierta.

La fachada, formada por muros estructurales de fábrica, de gran espesor, será respetada y

conformará parte de la nueva solución estructural.

Se supone, que los muros existentes de fachada serán capaces de garantizar la estabilidad

global de la nueva estructura. En este sentido, estamos hablando de un diseño de Clase

Estructural II, de acuerdo con el anexo B de la norma EN 1990.

0.1 Bases de cálculo

Para el desarrollo del proyecto se utilizará estructura metálica, formada con perfiles y chapas

de pared delgada conformados en frio, a partir de bobinas de chapa galvanizada.

En la medida de lo posible, se intentará resolver todos los elementos utilizando sólo dos

perfiles diferentes, en aras de la mayor sencillez constructiva.

Los perfiles propuestos cumplen con las relaciones de anchura-espesor máximas, que han

sido establecidas en la tabla 5.1 de UNE-EN_1993-1-3:2006.

C 220x37 x1.5 mm U 220x52 x1.5 mm

En los anejos A1 y A2 se detallan las características geométricas y las capacidades

estructurales relevantes, de las secciones consideradas.

Dado el reducido radio interior en los pliegues, inferior a cinco veces el espesor y a una décima

parte de la longitud del elemento plano contiguo, para determinar las propiedades geométricas


se puede considerar que la sección está formada por ángulos vivos, sin acuerdos, y tomar la

longitud de los elementos planos como la proyección correspondiente a los puntos medios de

las esquinas.

El análisis aplicado para abordar el diseño, tiene el carácter de “uno de conjunto”. Es decir, se

valorarán las zonas de solicitación máxima, procediendo a las comprobaciones pertinentes y,

luego bastará con emplear en el resto de la estructura los mismos perfiles. El objetivo final es

facilitar el proceso constructivo de montaje, que debe ser repetitivo.

El modelo 3D realizado, con SAP 2000, tiene el objetivo de verificar las zonas de tensión

máxima. Aunque, la posición de los perfiles en el proyecto final no tiene por qué corresponder

“exactamente” con la que ocupan en el análisis. La solución estructural puede ajustarse

ligeramente a las necesidades de obra y, en función de los detalles constructivos.

En el cálculo de solicitaciones, dado que se trata de perfiles con clase de sección esbelta,

clase 4, se utilizará análisis elástico con posible reducción de rigidez.

Al determinar la resistencia de las secciones se utilizará el método elástico aplicando el

concepto de la sección reducida eficaz, para poder valorar las inestabilidades locales

(abolladura) y de distorsión, que se dan en este tipo estructural.

No obstante, todos los perfiles siempre dispondrán de elementos transversales, tanto

intermedios como de borde, para su atado y rigidización.

Las uniones se resolverán mediante tornillos roscachapa, y cumplirán la norma UNE-EN ISO

10666 “Tornillos autotaladrantes y autorroscantes. Características mecánicas y funcionales”

y el resto de normas específicas aplicables a su geometría particular (cabeza hexagonal).

En las uniones se aplicará el criterio que la rotura debe ser dúctil, es decir que la capacidad a

cortante del tornillo es superior a la correspondiente a cualquier otro modo de fallo (+20%).

En la siguiente tabla se muestran las resistencias de cálculo por tornillo, obtenidas aplicando

un coeficiente parcial de seguridad γM2=1,25.

Resistencia a cortadura de una unión de dos chapas dependiendo del espesor de la chapa más delgada y del diámetro del tornillo, Fb,Rd [kN/tornillo]

espesor 1,0mm espesor 1,5mm espesor 2,0mm

diametro 3,5 mm 1,7 3,2 4,2

diametro 4,0 mm 1,8 3,4 4,8

diametro 4,5 mm 2,0 3,6 5,4

diametro 5,0 mm 2,1 3,8 5,8

Todas las uniones de la estructura llevarán, al menos, 4 tornillos de 5mm de diámetro,

trabajando a cortante, tal y como es habitual en este tipo de montajes… salvo en los detalles

de unión indicados expresamente.


ESQUEMAS DE ARQUITECTURA

Planta Baja. Nivel de jardín

Planta Primera. Nivel de acceso / calle


Planta Segunda

Bajo-Cubierta


Sección Transversal

Sección Longitudinal


0.2 Acciones consideradas en el calculo

Para la evaluación de acciones se han seguido las presunciones fijadas por CTE SE-AE.

- Forjado Tipo: - Peso propio: forjado de chapa grecada y mortero (50mm) ............... 1,0 kN/m2 - Solado y revestimiento inferior .......................................................... 0,5 kN/m2

- Sobrecarga de uso (vivienda) ……………......................................... 2,0 kN/m2

- Forjado de Cubierta: - Peso propio: tablero o paneles ligeros de madera (15mm) .............. 1,0 kN/m2 - Cobertura y revestimiento inferior ……………................................... 0,5 kN/m2

- Sobrecarga de nieve (o mantenimiento) …….................................... 0,6 kN/m2

- Cerramiento de fachada …………………........................................ 3,0 kN/m

- Escaleras de caracol ………..……………........................................ 2,0 kN

VIENTO

Presión dinámica, zona-A (Madrid) qb = 0,42 kN/m2

Coeficiente de exposición, entorno urbano (grado aspereza IV) ce = 1,80 a +10,5m ce = 1,55 a + 7,5m Coeficiente eólico longitudinal (esbeltez 12/17 = 0,7) cp = +0,78 cs = - 0,40 Coeficiente eólico transversal (esbeltez 12/11 = 1,1) cp = +0,80 cs = - 0,55 Por tanto, sobre los faldones de cubierta el viento supone: en dirección longitudinal, a +10,5m: qe = 0,42·1,80·(+0,78) = +0,59 kN/m2 qe = 0,42·1,80· (-0,40) = - 0,30 kN/m2 en dirección transversal, a +9m: qe = 0,42·1,55· (+0,80) = +0,52 kN/m2 qe = 0,42·1,55· (-0,55) = - 0,36 kN/m2

Se supone que los muros existentes asumen la estabilidad global de la estructura. Por tanto,

las cargas anteriormente determinadas, servirán únicamente para el estudio local de los

faldones de la cubierta.


0.3 Características de los materiales

Hormigón HA-25/B/20/I fck = 25 N/mm2

Coeficiente parcial de seguridad material γc = 1,50

Resistencia de cálculo fcd = 16,67 N/mm2

Acero corrugado B-500S fyk = 500 N/mm2

Coeficiente parcial de seguridad material γs = 1,15

Resistencia de cálculo fyd = 435 N/mm2

Acero laminado S-275-JR fyk = 275 N/mm2


Resistencia de cálculo fyd = 261,9 N/mm2

Acero conformado S-280GD+Z (EN 10326) fyb = 280 N/mm2

Límite elástico después del doblado fya = 280 N/mm2

Tensión última del material fu = 360 N/mm2


Resistencia de cálculo fyd = 266,7 N/mm2

0.4 Coeficientes de seguridad adoptados

efecto desfavorable favorable

Acciones permanentes 1,35 1,0

Acciones variables 1,50 0,0

0.5 Coeficientes de simultaneidad

Ψ0 Ψ1 Ψ2

Sobrecarga de uso (zonas residenciales) 0,7 0,7 0,6

Sobrecarga de nieve, con altitud ≤ 1000m 0,5 0,2 0

Sobrecarga de viento 0,6 0,5 0


1. FORJADO PLANTA PRIMERA

En los siguientes esquemas se detallan los diagramas de esfuerzos de cálculo, y de

resistencia máxima de las secciones, considerando únicamente la hipótesis de carga máxima

en todos los vanos.

No se ha planteado en el cálculo de esfuerzos alternancia de sobrecargas, dado que se

considera que dichos efectos quedan incluidos en la sobrecarga equivalente considerada.

Para determinar los esfuerzos se ha procedido a realizar un análisis lineal sin redistribución,

mediante el programa de análisis SAP 2000.

Para determinar la resistencia última de las secciones, y en la fase de diseño conceptual, se

han utilizado los resultados obtenidos con AISIWIN (ver anejos).


Forjado Planta Primera – Axiles

Forjado Planta Primera - Momentos


2. FORJADO PLANTA SEGUNDA

Forjado Planta Segunda – Axiles

Forjado Planta Segunda - Momentos


3. FORJADO PLANTA CUBIERTA

Forjado Planta Tercera – Axiles

Forjado Planta Tercera – Momentos


4. CUBIERTA

Cubierta – Axiles

Cubierta – Momentos


4. ENTRAMADOS

El dimensionado de los perfiles es el siguiente:

- Rojo: C (220x37x1.5)

- Amarillo: 2xC (220x37x1.5) en cajón

- Amarillo oscuro: U (200x37x1.5)

- Azul claro: U (220x52x1.5)

- Azul marino: Chapa (100x1.5)

Forjado Planta Primera

Forjado Planta Segunda


Forjado Planta Cubierta

Forjado Planta Cubierta

anejo A1

WCSECTION DESIGNATION: Single

INPUT PROPERTIES:Web Height = 220.00 mm Steel Thickness = 1.500 mmTop Flange = 37.00 mm Inside Corner Radius = 2.000 mmBottom Flange = 37.00 mm Yield Stress, Fy = 280 MpaStiffening Lip = 15.00 mm Fy With Cold-Work, Fya = 280 MpaPunchout Width = 38.10 mm Punchout Length = 101.60 mm

OUTPUT PROPERTIES:

Effective Section Properties, Strong AxisNeutral Axis from Top Fiber (Ycg) 116.5 mmMoment of Inertia for Deflection (Ixx) 2874589 mm^4Section Modulus (Sxx) 23807 mm^ 3Nominal Flexural Strength * Phi (Phi*Mnx) 6333.32 N-m

Gross Section Properties of Full Section, Strong AxisNeutral Axis from Top Fiber (Ycg) 110.0 mmMoment of Inertia (Ixx) 2936444 mm^4Cross Sectional Area (A) 469.9 mm^2Radius of Gyration (Rx) 79.0496 mm

Section Properties, Weak AxisGross Neutral Axis (Xcg) From Web Face 7.7348 mmGross Moment of Inertia (Iyy) 71097 mm^4Radius of Gyration (Ry) 12.3003 mmEffective Section Modulus (Syy) 2167 mm^3Effective Neutral Axis (Xcg) from Web Face 14.6118 mmNominal Flexural Strength * Phi (Phi*Mny) 576.49 N-m

Other Section Property DataNet Area at Punchouts 412.8 mm^2Member Weight per Foot of Length 36.1709 N/mNominal Web Shear Capacity * Phi (Unpunched) 14779 NNominal Web Shear Capacity * Phi (Punched) 14779 NPno * Phi for use in Interaction Equation C5-2 52647 N

Torsional PropertiesDist. from Shear Center to Neutral Axis (Xo) -20.8021 mmSt. Venant torsion Constant (J x 1000) 352439 mm^4Warping Constant (Cw) 712416402 mm^6Radii of Gyration (Ro) 82.6612 mmTorsional Flexural Constant (Beta) 0.9367

Nominal Web Crippling Loads * Phi (N)25.40mm END BRNG 88.90mm INT BRNG

Cond 1 Cond 3 Cond 2 Cond 4Single Member 3337 2330 9907 9652Reduction, Rc 0.952 + 0.083x/h <= 1.0 0.892 + 0.053x/h <= 1.0

Note: Rc applies only, Cond. 1 and 2.

Anejo 01: C220x37x1.5 (simple)



ALLOWABLE FLOOR JOIST SPANS (m)

INPUT PARAMATERS

Deflection Limits:Unfactored Dead Load = 1500.0 N/m^2 Load Factor = 1.35 Total Load = L/250Unfactored Live Load = 2000.0 N/m^2 Load Factor = 1.5 Live Load = L/300Two-Span Live Load Deflection Based on Alternate Span LoadingBearing Lengths for Web Crippling: End Condition = 25.4 mm Interior Condition = 88.9 mmAllowable Shear and Web Crippling Based on Unpunched Web

ALLOWABLE SPANS

WITH TRANSVERSE WEB STIFFENERS

JOIST SPACING203.0 mm 406.0 mm 610.0 mm

SINGLE SPAN 6.32 e 4.98 e 4.07 e

TWO EQUAL SPANS 7.05 i 4.98 a 4.07 a

Stiffeners required as noted: e = end, i = interior, a = all

WITH UNSTIFFENED WEBS


SINGLE SPAN 6.32 3.27 2.18

TWO EQUAL SPANS 5.62 3.48 2.58



INPUT PROPERTIES:Web Height = 220.00 mm Steel Thickness = 1.500 mmTop Flange = 37.00 mm Inside Corner Radius = 2.000 mmBottom Flange = 37.00 mm Yield Stress, Fy = 280 MpaStiffening Lip = 15.00 mm Fy With Cold-Work, Fya = 280 Mpa

MAXIMUM FACTORED AXIAL LOADS, Pu

INPUT PARAMETERSOverall Stud Length = 2.5 m

TOTAL FACTORED AXIAL LOADS, Pu (N)

WEAK AXIS MAXIMUM CONCENTRIC LOADEDBRACING KL/r LOADING THROUGH WEB

NONE 203 13975 10486

MID Pt 102 37707 20716

THIRD Pt 68 49201 24135








NONE 228 11723 9102

MID Pt 114 33423 19204

THIRD Pt 76 46592 23640








NONE 260 9510 7636

MID Pt 130 27850 17137

THIRD Pt 87 42928 22496


anejo A2

WCSECTION DESIGNATION: (2) Back-to-Back


OUTPUT PROPERTIES:

Effective Section Properties, Strong AxisNeutral Axis from Top Fiber (Ycg) 116.5 mmMoment of Inertia for Deflection (Ixx) 5749177 mm^4Section Modulus (Sxx) 47614 mm^ 3Nominal Flexural Strength * Phi (Phi*Mnx) 12666.64 N-m

Gross Section Properties of Full Section, Strong AxisNeutral Axis from Top Fiber (Ycg) 110.0 mmMoment of Inertia (Ixx) 5872888 mm^4Cross Sectional Area (A) 939.8 mm^2Radius of Gyration (Rx) 79.0496 mm

Section Properties, Weak AxisGross Moment of Inertia (Iyy) 198422 mm^4Radius of Gyration (Ry) 14.5301 mm

Other Section Property DataNet Area at Punchouts 825.5 mm^2Member Weight per Foot of Length 72.3419 N/mNominal Web Shear Capacity * Phi (Unpunched) 29558 NNominal Web Shear Capacity * Phi (Punched) 29558 NPno * Phi for use in Interaction Equation C5-2 52647 N

Lateral Buckling Properties for FlexureMoment of Inertia of Compression Portion (Iyc) 99211 mm^4

Nominal Web Crippling Loads * Phi (N) Total for (2) Members25.40mm END BRNG 88.90mm INT BRNG

Cond 1 Cond 3 Cond 2 Cond 4(2) Back-to-Back 16846 25039Reduction, Rc 0.952 + 0.083x/h <= 1.0 0.892 + 0.053x/h <= 1.0

Note: Rc applies only, Cond. 1 and 2.

Anejo 02: C220x37x1.5 (doble)

WCSECTION DESIGNATION: (2) Boxed


ALLOWABLE FLOOR JOIST SPANS (m)

INPUT PARAMATERS

Deflection Limits:Unfactored Dead Load = 1500.0 N/m^2 Load Factor = 1.35 Total Load = L/250Unfactored Live Load = 2000.0 N/m^2 Load Factor = 1.5 Live Load = L/300Two-Span Live Load Deflection Based on Alternate Span LoadingBearing Lengths for Web Crippling: End Condition = 25.4 mm Interior Condition = 88.9 mm

ALLOWABLE SPANS

WITH TRANSVERSE WEB STIFFENERS


SINGLE SPAN 6.96 e 6.32 e 5.52 e

TWO EQUAL SPANS 8.13 i 7.05 i 5.75 i

Stiffeners required as noted: e = end, i = interior, a = all

WITH UNSTIFFENED WEBS


SINGLE SPAN 6.96 6.32 4.36

TWO EQUAL SPANS 6.78 5.62 4.26






Member Configuration: (2) BOXED MEMBERS


WEAK AXIS MAXIMUM CONCENTRICBRACING KL/r LOADING

NONE 79 90997

MID Pt 40 113134

THIRD Pt 32 116471

Note: For (2) Boxed Members, Individual MembersMust be Adequately Interconnected









NONE 89 84571

MID Pt 45 111052

THIRD Pt 35 115081










NONE 101 75762

MID Pt 51 107986

THIRD Pt 40 113016



ejercicio final 2016-17 m4 2 estructura metÁlica con

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