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Tutorial de armadura 3: Ejemplo de diseño de armadura de techo

Diseño de vigas de techo usando SkyCiv

En este tutorial, diseñaremos una armadura de techo para un garaje con la siguiente información:

  • Ubicación: 8050 SO Beaverton Hillsdale Hwy, Pórtland, O 97225, Estados Unidos
  • Longitud del edificio: 10.0metros
  • Ancho de construcción: 7.0metros
  • altura del alero: 4.0metros
  • Altura de la armadura del techo: 2.0metros
  • Ángulo del techo: 29.745°
  • Recinto: Edificio abierto

Usaremos una forma de L. (AISC) sección para la armadura del techo, aislar lo crítico armaduras (espaciados a 3,33 m) y analizándolo como un conjunto de armaduras simplemente apoyado.

Visite nuestros otros tutoriales para obtener más información sobre el definicion de armadura y tipos de armaduras.

Ejemplo de diseño de armadura de techo

Figura 1. 3D Render de la estructura.

Ejemplo de diseño de armadura de techo

Figura 2. Ubicación del sitio.

 

Cargas de techo

En el diseño de los componentes, evaluaremos las cargas del techo que actúan sobre las vigas del techo. Tenga en cuenta que la carga de viento que se usará aquí será para Componentes y Revestimiento para diseñar los miembros de la armadura del techo..

En el diseño de los miembros de la armadura del techo., ASCE 7-16 Combinaciones de carga LRFD se utilizará.

Peso muerto

Asumiremos las siguientes cargas a ser transportadas por las vigas del techo:

  • Láminas de techo y accesorios: 0.15 kPa (aplicado en la cuerda superior)
  • Techo: 0.25 kPa (aplicado en el cordón inferior)

El peso propio se comprobará cuando ya tengamos la sección inicial y se iterará el diseño a partir de estos datos.. Para vigas de techo, utilizando un espacio igual a 3,33 m de centro a centro (miembro crítico), la carga muerta superpuesta es:

\({W}_ _{muerto,parte superior} = 0,15kPa(3.33metros) = 0.5 kN / m \)
\({W}_ _{muerto,fondo} = 0,25kPa(3.33metros) = 0.833 kN / m \)

Carga viva

De la tabla 4.3-1 de ASCE 7-16, la carga viva para techos (piso ordinario, autoportantede pared, y techos curvos) es igual a 0.96 kPa. Por lo tanto, para vigas de techo:

\({W}_ _{En Vivo} = 0,96 kPa(3.33metros) = 3.197 kN / m \)

Tenga en cuenta que la carga viva que actúa sobre la armadura del techo, se supone que actúa sobre la proyección horizontal del área. Dado que aplicaremos esto en el acorde superior, simplemente multiplicaremos esta carga por la longitud del miembro, y aplicarlo a los nodos del acorde superior.

Carga de viento

Por la carga del viento, utilizaremos el cálculo de la presión del viento para los componentes y el revestimiento (Capítulo 30 de ASCE 7-16). estaremos usando el Generador de carga SkyCiv para calcular las cargas de viento que actúan sobre las vigas del techo.

La siguiente información se utiliza para el cálculo de las presiones del viento:

Ubicación 8050 SO Beaverton Hillsdale Hwy, Pórtland, O 97225, Estados Unidos
Categoría de riesgo I (Garaje)
Longitud del edificio 10.0 metros
Ancho del edificio 7.0 metros
Altura media del techo 5.0 metros
Ángulo del techo 29.745°

Basado en la imagen satelital de Google Maps, podemos ver que todas las direcciones se clasifican como categoría de exposición B.

Ejemplo de diseño de armadura de techo

Figura 3. Ubicación de la estructura y la categoría de exposición para cada dirección contra el viento.

Adicionalmente, algunas direcciones tienen colinas pero el efecto de la topografía es insignificante ya que la ubicación de la estructura está en la mitad inferior de la altura entre el pie contra el viento y la elevación máxima. Por lo tanto, Kzt es igual a 1.0 para todas las direcciones.

Ejemplo de diseño de armadura de techo

Figura 4. Gráfico de elevación de Google Maps y el factor topográfico correspondiente para el viento proveniente del sur.

En la pestaña Datos de estructura, seleccionaremos Open-Pitched/Duopicth como el perfil del techo ya que el garaje no está encerrado por paredes. Tenga en cuenta que la longitud del edificio, L, aquí está la distancia perpendicular a la inclinación del techo, y la altura media del techo, h, es el promedio de la altura del alero y la altura del vértice del techo.

Diseño de armadura de techo

Figura 5. Datos de estructura.

Sobre el "Calcular la carga de vientoparámetros, necesitamos establecer el Tipo de estructura en ASCE 7-16 – Edificios – Componentes y revestimiento ya que diseñaremos la estructura del techo como componentes. La Clasificación del recinto se establece en Edificios abiertos y el Bloqueo de viento se establece en "Despejado o vacío debajo" como, durante los tifones, los coches de abajo no bloquearían más de 50% del área de viento debajo. Para el Área de Revestimiento de Techo, calcularemos el área de viento efectiva para las vigas del techo.

El área de viento efectiva para la estructura del techo – la longitud es igual a 3,33 m:

\({A}_ _{armaduras} \) = distancia x longitud = 3,33 m(7.0metros) =( 23.31 {metros}^{2} \)

sin embargo, en la sección 26.2 de ASCE 7-16, por definición del área de viento efectiva, el ancho efectivo no necesita ser inferior a un tercio de la longitud del tramo. Por lo tanto:

\({A}_ _{armaduras} \) = distancia x longitud ≥ (longitud/3) x largo = 3,33 m (7metros) ≥ (7m/3) (7metros) = \( 23.31 {metros}^{2} \)

La entrada para la carga de viento es la siguiente:

Diseño de armadura de techo

Figura 6. Parámetros de viento para edificio abierto – componentes y revestimiento.

De estos parámetros, se pueden calcular las presiones de viento de diseño:

Diseño de armadura de techo

Figura 7. Presiones de viento para cada zona.

Dado que las presiones del viento por zonas 1, 2, y 3 son todos iguales, la zonificación no importará. Por lo tanto, para carga de techo en el truss, tendremos dos casos – lo positivo (o máximo) caso y negativo (o min) caso:

\({W}_ _{viento+} = 0,651 kPa (3.33metros) = 2.168 kN / m \)
\({W}_ _{viento-} = -0.453kPa (3.33metros) = -1.508 kN / m \)

Tenga en cuenta que el valor positivo aquí significa que la presión actúa hacia la superficie del techo y es perpendicular a ella, y el valor negativo significa que la presión actúa en dirección opuesta y es perpendicular a la superficie del techo..

Carga de nieve

Usando los mismos datos del sitio usados ​​en Wind Load:

Ubicación 8050 SO Beaverton Hillsdale Hwy, Pórtland, O 97225, Estados Unidos
Categoría de riesgo I (Garaje)
Longitud del edificio 10.0 metros
Ancho del edificio 7.0 metros
Altura media del techo 5.0 metros
Ángulo del techo 29.745°

Sobre los parámetros “Calcular carga de nieve”, necesitamos establecer la "Categoría de terreno" en "B" (igual que la categoría de exposición), la "Condición de exposición del techo" a "Totalmente expuesto" y la "Condición térmica" a "Estructuras al aire libre y sin calefacción", ya que se trata de un garaje en el espacio abierto. La "Condición de techo inclinado" se establece en "Resbaladizo" ya que el material de techado que se utilizará es G.I.. sábana. Además, consideraremos el caso desequilibrado para la ubicación usando el techo Symmetric Gable.

 

Parámetros de carga de nieve,Diseño de armadura de techo

Figura 8. Parámetros de carga de nieve.

Generación de la carga de nieve, la carga de nieve equilibrada del techo es igual a 0.23 kPa.

Diseño de armadura de techo

 

Figura 9. Resultado de la carga de nieve equilibrada.

Para el caso desequilibrado, tenemos que considerar la carga en un lado (p1) igual a 0 y el otro (p2) igual a 0.42 kPa.

Diseño de armadura de techo

Figura 10. Resultado de carga de nieve desequilibrada para techo a dos aguas.

Por lo tanto, la carga de nieve sobre las correas y las vigas del techo es la siguiente:

\({W}_ _{armaduras,equilibrado} = 0.23 kPa (3.33metros) = 0.766 kN / m \)
\({W}_ _{armaduras,desequilibrado p1} = 0 kN / m \)
\({W}_ _{armaduras,p2 desequilibrado} = 0.42 kPa (3.33metros) = 1.399 kN / m \)

Lo mismo con la carga viva, la carga de nieve actúa sobre la proyección horizontal del área efectiva y debe convertirse en una carga inclinada que actúa sobre el cordón superior de la estructura del techo. Por lo tanto:

\({W}_ _{armaduras,equilibrado} = 0.766 kN / m / cos(29.745°) = 0.882 kN / m \)
\({W}_ _{armaduras,desequilibrado p1} = 0 kN / m \)
\({W}_ _{armaduras,p2 desequilibrado} = 1.399 kN/m/cos(29.745°) = 1.611 kN / m \)

 

Inicie el cálculo de la armadura del techo con SkyCiv:

 

Diseño de armadura de techo

Usando el SkyCiv S3D, podemos analizar la armadura del techo: Diseño de armadura de techo

Supondremos que la armadura del techo está simplemente apoyada y se analizará en 2D agregando soportes en cada nodo con el código RRFRRR para corregir solo el desplazamiento del eje Z. La sección inicial que usaremos es una forma AISC L – 2.5“x2.5”x3/16”. Adicionalmente, los miembros se modelan como una armadura – donde la fijeza del nodo se libera para el Y local- y eje Z. Aplicando las cargas del techo y multiplicando cada carga que calculamos arriba por la longitud del miembro para convertirla en cargas nodales:

Peso muerto

Carga muerta de armadura de techo, Diseño de armadura de techo

Carga viva

Carga viva de armadura de techo, Diseño de armadura de techo

Viento+ Carga

Carga de viento de armadura de techo positiva, Diseño de armadura de techo

Viento- Carga

Carga de viento de armadura de techo negativa, Diseño de armadura de techo

Carga de nieve – caso equilibrado

Carga de nieve equilibrada de la armadura del techo,Diseño de armadura de techo

Carga de nieve – caso desequilibrado

Diseño de armadura de techo

Uso de la combinación de carga para ASCE 7-16 LRFD, se pueden generar las fuerzas necesarias para diseñar el miembro:

Cercha de cubierta ASCE 7 combinación de carga LRFD, Diseño de armadura de techo

Figura 18. ASCE 7-16 Combinación de carga LRFD.

Como estamos usando una sección angular, también debemos considerar el pandeo. Resolviendo el modelo haciendo clic en Lineal Static + Pandeo en el botón Resolver, podemos obtener las siguientes fuerzas envolventes:

Resultados del análisis de vigas de techo, Diseño de armadura de techo

Figura 19. Resultado de la carga axial del análisis.

De estas cargas, ya podemos diseñar el miembro de la armadura del techo usando el módulo de diseño de miembros de SkyCiv y seleccionando AISC 360-16 LRFD:

Diseño de miembro de armadura de techo, Diseño de armadura de techo

Figura 20. Módulos de diseño de miembros en S3D.

Módulo de diseño de miembros de armadura de techo, Diseño de armadura de techo

Figura 21. AISC 360-16 Diseño de miembros de LRFD.

Resultado de diseño de miembro de armadura de cubierta, Diseño de armadura de techo

Figura 22. Resultados del diseño de miembros usando L2.5”x2.5”x3/16” de acuerdo con AISC 360-16 LRFD.

Podemos ver que la sección que usamos – L2.5”x2.5”x3/16” – es adecuado y ha pasado las comprobaciones de diseño.

Utilizando la Lista de materiales add-on podemos establecer un precio por kg para la sección. en este modelo, fijar el costo unitario por kg de acero en $0.8:

Lista de materiales para el diseño de la armadura del techo, Diseño de armadura de techo

Figura 23. Lista de materiales usando L2.5”x2.5”x3/16” para la estructura del techo.

Para aumentar aún más la economía del diseño., podemos usar el optimizador. Sólo tenemos que establecer los criterios., y el optimizador seleccionará automáticamente la sección más económica para la estructura del techo.

Uso de la configuración predeterminada:

Configuración del optimizador de diseño de vigas de techo, Diseño de armadura de techo

Figura 24. Opciones para el optimizador de diseño de miembros SkyCiv S3D.

El resultado del optimizador sugiere que podemos usar L2x2x1/8 para este truss. Una vez que cometemos los cambios, automáticamente recalculará el modelo y comprobará si la sección es adecuada.

Diseño de armadura de techo optimizado, Diseño de armadura de techo

Figura 25. Sección optimizada generada para la armadura del techo utilizando el optimizador de diseño de miembros SkyCiv S3D.

Resultado optimizado del diseño de vigas de techo, Diseño de armadura de techo

Figura 26. Resultado del diseño de miembros utilizando la sección optimizada para la estructura de cubierta.

Comprobación de la lista de materiales de nuevo, podemos ver que el peso de la necesidad de acero se redujo de 125 kg a 100 kg ahorrando $20!

Diseño de vigas de techo con materiales optimizados, Diseño de armadura de techo

Figura 27. Lista de materiales utilizando la sección optimizada para la estructura del techo.

Generador de carga SkyCiv

Todos los procesos anteriores se pueden lograr con solo unos pocos clics usando Generador de carga SkyCiv.

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Patrick Aylsworth García Ingeniero estructural, Desarrollo de Producto
Patrick Aylsworth García
Ingeniero estructural, Desarrollo de Producto
Maestría en Ingeniería Civil
LinkedIn

Referencias:

  • Sociedad Americana de Ingenieros Civiles. (2017, junio). Cargas mínimas de diseño y criterios asociados para edificios y otras estructuras.. Sociedad Americana de Ingenieros Civiles.
  • mapas de Google
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