Autor:David Ran
Este artículo trata sobre componentes de construcción de acero, servicios de fabricación, y planificación de proyectos. Los requisitos técnicos específicos de cada proyecto deben confirmarse durante la revisión de ingeniería.
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Comprensión de los cálculos de carga de edificios de acero
Cálculos de carga de edificios de acero. establecer cada acción que un edificio debe resistir antes de que los ingenieros seleccionen las vigas, columnas, vigorizante, conexiones, pernos de anclaje y cimientos. El objetivo no es simplemente fortalecer el marco. Es definir cargas de diseño realistas., trazar cómo se mueven a través de la estructura y comprobar las combinaciones que pueden controlar la fuerza, estabilidad y capacidad de servicio.
Un almacén en una zona costera de fuertes vientos, Un taller con puentes grúa y un edificio agrícola en una región con mucha nieve pueden tener dimensiones similares pero demandas estructurales muy diferentes.. Por lo tanto, los cálculos precisos comienzan con la ubicación del proyecto., uso del edificio, geometría, materiales y equipos operativos, no con un programa de sección de acero estándar.
Esta guía explica las principales cargas de diseño., cargar rutas, combinaciones y controles de ingeniería utilizados para edificios industriales de acero. Su objetivo es ayudar a los propietarios y equipos de proyecto a comprender el proceso.; Los valores finales deben ser determinados por un ingeniero estructural calificado utilizando los códigos adoptados localmente y los datos del proyecto verificados..
¿Qué son las cargas de diseño??
Una carga de diseño es una fuerza., peso, presión, movimiento impuesto o aceleración que afecta a un edificio. Algunas cargas actúan continuamente., como el peso propio de la estructura de acero. Otros son temporales o ambientales., incluyendo bienes almacenados, viento, nieve y terremotos. Las cargas pueden actuar hacia abajo, hacia arriba, horizontalmente o en varias direcciones a la vez.
En diseño estructural práctico., Los ingenieros deben responder cinco preguntas.:
- ¿Qué cargas pueden ocurrir en el sitio del proyecto??
- ¿Qué tamaño tiene cada carga y dónde actúa??
- ¿Cómo se distribuye por el tejado?, pisos, paredes o soportes de equipos?
- ¿Cómo viaja a través del sistema de estructura hasta los cimientos??
- ¿Qué combinaciones prescritas por códigos producen los efectos más exigentes??
Un cálculo de carga se completa solo cuando estas acciones se convierten en fuerzas en los miembros., reacciones, Deflexiones y demandas de conexión que se pueden verificar con criterios de aceptación definidos..
Información requerida antes de calcular cargas
Los insumos confiables son esenciales. Los supuestos preliminares pueden ser aceptables para la elaboración del presupuesto., pero deben identificarse y confirmarse antes de que se publiquen los planos de fabricación.. Un resumen de diseño típico debe incluir:
- Dirección del proyecto, elevación y terreno circundante
- Longitud del edificio, ancho, altura del alero, pendiente del techo y espacio entre bahías
- Ocupación prevista y uso operativo
- Techo, muro, especificaciones de aislamiento y techo
- Áreas de piso, entrepisos y arreglos de almacenamiento
- Puentes grúa, transportadores, tanques, ductos y servicios suspendidos
- Paneles solares o futuros equipos montados en el techo.
- Aberturas de puertas, marquesinas y paredes parcialmente abiertas
- Datos geotécnicos y limitaciones de cimentación.
- viento local, nieve, lluvia, criterios sísmicos y de temperatura
- Código de construcción aplicable, estándar de diseño y categoría de importancia
Las grandes aperturas y el futuro equipamiento son especialmente importantes. Una puerta puede cambiar la presión interna del viento., mientras que un servicio suspendido no reportado puede agregar carga permanente a correas que fueron diseñadas originalmente solo para revestimiento de techos.
1. Cargas muertas
Las cargas muertas son los pesos permanentes del edificio y los componentes fijos.. Normalmente incluyen marcos primarios., correas, chicas, vigorizante, paneles de techo y pared, aislamiento, techos, canalones, plataformas fijas y sistemas mecánicos o eléctricos permanentemente conectados.
La relación básica es sencilla.: carga muerta = peso unitario del material × volumen. Para láminas, sistemas de aislamiento y techo, Los fabricantes suelen proporcionar un peso por área.. Luego se asigna el valor a los miembros de soporte según su área afluente..
El peso propio del acero suele refinarse durante el análisis.. Los ingenieros comienzan con un peso estimado del marco., dimensionar los miembros y permitir que el modelo de análisis actualice el peso calculado. Esta iteración continúa hasta que las secciones asumidas y seleccionadas sean consistentes.. Pesada ignifugación, sistemas fotovoltaicos, Los conductos y las líneas de proceso suspendidas deben enumerarse por separado para que no queden ocultos dentro de una asignación optimista..
2. Cargas vivas
Las cargas vivas resultan de la ocupación, mantenimiento y objetos muebles. Pueden cambiar en magnitud y posición durante la vida del edificio.. El valor requerido depende de cómo se utilizará un área y no del material del marco..
- Carga viva del techo: personal de mantenimiento temporal, herramientas y materiales móviles en el techo.
- Carga viva del piso: gente, muebles movibles, montacargas o carga operativa general.
- Carga de almacenamiento: bastidores de paletas, materiales apilados o productos almacenados densos.
- Carga del entresuelo: Cargas de ocupación y almacenamiento aplicadas a un piso elevado..
- Carga concentrada: una rueda local, pata de la máquina u otra acción puntual que puede gobernar incluso cuando la carga promedio del área es modesta.
Un error común es utilizar una carga de piso uniforme sin verificar las cargas concentradas o la disposición real de los estantes.. Otra es asumir que se puede agregar un entrepiso futuro sin afectar las columnas., vigorizante, placas base o cimientos. La expansión planificada debe definirse durante los cálculos iniciales de carga de la construcción de acero..
3. Cargas de viento en edificios de acero
El viento puede empujar las paredes, crear succión en las superficies de sotavento y levantar los paneles del techo lejos de la estructura. Para edificios de acero ligero, el levantamiento del viento puede controlar las correas, sujetadores, vigorizante, pernos de anclaje y cimientos incluso cuando las cargas de gravedad controlan el diseño de la viga principal.
La presión del viento está relacionada con el cuadrado de la velocidad del viento., por lo que un aumento moderado en la velocidad de diseño puede crear una presión mucho mayor. El procedimiento completo también considera categoría de riesgo., exposición al terreno, topografía, altura del edificio, direccionalidad, clasificación del recinto, efectos de ráfagas y coeficientes de presión externa.
Principales consideraciones de diseño del viento
- Presión externa: Presión o succión que actúa sobre paredes y zonas de techo..
- Presión interna: presión dentro del edificio, fuertemente influenciado por las aperturas.
- Componentes y revestimiento: presiones locales sobre los paneles, sujetadores, correas y vigas.
- Sistema principal de resistencia a la fuerza del viento.: los marcos del portal y los vanos arriostrados que estabilizan todo el edificio.
- Zonas de esquina y borde del tejado: Regiones locales donde la succión puede ser significativamente mayor que en las zonas interiores..
Las puertas enrollables grandes y las marquesinas abiertas requieren atención especial. Si se asume incorrectamente una apertura dominante, La presión interna puede subestimarse.. Los ingenieros también deben confirmar si las puertas están diseñadas para permanecer cerradas durante condiciones climáticas adversas o si se debe verificar una condición de apertura accidental..
4. Nieve, Cargas de lluvia y hielo
Los datos de nieve del suelo se convierten en carga de nieve del techo considerando la exposición del techo., condiciones termicas, importancia y pendiente del techo. Luego se revisa el techo para ver si hay nieve equilibrada., carga desequilibrada y acumulación de deriva local. La nieve no siempre cae uniformemente, y el viento puede moverlo hacia los parapetos, cambios de altura y estructuras más altas adyacentes.
Las zonas de deriva pueden controlar vigas y correas individuales incluso cuando la carga promedio del techo parece aceptable. Condiciones de lluvia sobre nieve, La nieve deslizante desde un techo superior y la acumulación de hielo pueden requerir controles adicionales.. El drenaje del tejado también importa: Las salidas bloqueadas o la pendiente insuficiente pueden permitir que el agua se estanque., aumentando la deflexión y atrayendo aún más agua.
5. Cargas sísmicas
La acción sísmica es generada por el movimiento del suelo y la inercia de la masa del edificio.. Por lo tanto, la fuerza de diseño sísmico depende del peso del edificio., parámetros locales de movimiento del suelo, condiciones del suelo, sistema estructural, categoría de importancia, ductilidad y respuesta dinámica esperada.
El diseño sísmico es más que aplicar una fuerza horizontal a cada marco.. Los ingenieros definen el sistema de resistencia a fuerzas laterales, distribuir fuerzas por nivel, comprobar torsión y deriva, y detallar los miembros y conexiones para que la ruta de carga prevista siga siendo confiable. Conexiones de arriostramiento, elementos colectores, Las bases de las columnas y los cimientos deben ser compatibles con el sistema elegido..
Los edificios ligeros de acero de una sola planta suelen tener una masa sísmica menor que los edificios de hormigón., pero eso no elimina la necesidad de detallar cuidadosamente. Revestimiento pesado, entrepisos, Los sistemas o equipos de almacenamiento pueden cambiar sustancialmente la demanda sísmica..
6. Grúa, Equipos y cargas operativas
Los talleres industriales apoyan frecuentemente actuaciones que no están presentes en los almacenes habituales. Los puentes grúa imponen reacciones máximas y mínimas a las ruedas, impacto vertical, Fuerzas de frenado transversales y longitudinales.. Estas cargas afectan a las vigas de las vías de grúa., paréntesis, columnas, vigorizante, cimentaciones y juntas de movimiento.
- Capacidad nominal de la grúa y peso propio de la grúa
- tramo de puente, Distancia entre ruedas y dimensiones de aproximación.
- Cargas máximas y mínimas por rueda.
- Clasificación de servicio y frecuencia de operación.
- Requisitos de impacto vertical y sobretensión lateral
- Fuerzas longitudinales de aceleración y frenado.
- Alineación de pista, criterios de deflexión y fatiga
Otras acciones operativas pueden provenir de transportadores., tanques, bastidores de tuberías, líneas de producción suspendidas, Unidades de techo y maquinaria vibratoria.. El peso estático por sí solo puede ser insuficiente; impacto, vibración, par de arranque, El movimiento térmico o el acceso de mantenimiento pueden gobernar la estructura de acero de soporte..
7. Cargas de Construcción y Temporales
Un marco completo gana estabilidad gracias a su sistema de refuerzo completo., diafragmas y bahías conectadas. Durante la erección, Es posible que esos elementos aún no estén activos.. Viento temporal, materiales apilados, Por lo tanto, las reacciones de elevación y los equipos de construcción pueden crear condiciones que no existen en el edificio terminado..
El plan de montaje debe identificar la secuencia del marco., refuerzo temporal, posiciones de la grúa, Almacenamiento de material permitido y el punto en el que los sistemas de estabilidad permanente se vuelven efectivos.. Estos controles protegen tanto a la estructura como al equipo instalador..
Cómo viajan las cargas a través de un edificio de acero
Una ruta de carga clara conecta cada acción aplicada con el suelo.. Para un edificio típico con estructura de pórtico, la carga por gravedad sigue esta ruta:
Paneles de techo → correas → vigas → columnas → placas de base y anclajes → cimientos de hormigón → suelo de soporte
Las cargas de viento longitudinales generalmente viajan desde las vigas de las paredes y las correas del techo hacia los soportes verticales y del techo., luego a las bases de las columnas y cimientos. Las cargas transversales comúnmente son resistidas por la acción del pórtico de vigas y columnas.. Las cargas del entrepiso pasan a través de vigas y columnas del piso., mientras que las cargas de la grúa siguen las vigas de la pista y los soportes hacia las columnas principales.
Si falta algún enlace o es más débil de lo que se supone, la capacidad teórica de los demás miembros no puede corregir el problema. Por eso las conexiones, diafragmas, coleccionistas, Las varillas de anclaje y los cimientos son parte del mismo proceso de cálculo..
Combinaciones de cargas para edificios de acero
Los edificios no se diseñan sumando todas las cargas máximas al mismo tiempo. Los códigos especifican combinaciones que reflejan la probabilidad de que diferentes acciones ocurran juntas y el nivel de confiabilidad requerido.. Combinaciones separadas pueden controlar la fuerza de la gravedad, levantamiento del viento, respuesta sísmica, corredizo, soporte de vuelco o de cimentación.
Dos enfoques ampliamente utilizados son Diseño de factores de carga y resistencia (LRFD) y Diseño de resistencia permitida (TEA). LRFD aplica factores a cargas y resistencias., mientras que ASD compara combinaciones de niveles de servicio con la fuerza permitida. Ambos métodos pueden producir diseños seguros cuando se aplican consistentemente bajo el estándar vigente..
Para proyectos con sede en EE. UU., ASCE/SEIS 7-22 Proporciona criterios adoptados a nivel nacional para los muertos., vivir, viento, nieve, lluvia, cargas sísmicas y otras, junto con combinaciones de carga. Los miembros de acero estructural se pueden diseñar utilizando las disposiciones ASD o LRFD en ANSI/AISC 360. Los proyectos internacionales deben utilizar los códigos específicos adoptados por la autoridad local.; Los valores nunca deben copiarse de un país no relacionado o de un proyecto anterior..
Del cálculo de carga al análisis estructural
Después de definir las cargas y combinaciones de diseño., Los ingenieros construyen un modelo analítico que representa la geometría., rigidez del miembro, restricciones, sistema de liberación y refuerzo. Las cargas superficiales se convierten en cargas lineales o puntuales según el ancho de los afluentes.. El modelo calcula reacciones., fuerzas axiales, fuerzas cortantes, momentos de flexión, torsión y desplazamientos.
Los resultados se revisan en lugar de aceptarse a ciegas. Los ingenieros comprueban si las reacciones equilibran las cargas aplicadas, si las formas desviadas son razonables y si las inversiones de fuerza coinciden con el comportamiento esperado. También examinan los efectos de segundo orden., longitudes de pandeo, Suposiciones de diafragma y flexibilidad de conexión cuando sea relevante..
Controles de fuerza
Se verifica que los miembros primarios y secundarios cedan, pandeo local, pandeo lateral-torsional, compresión axial, doblando, acciones cortantes y combinadas. Se revisan las conexiones en busca de pernos., soldar, lámina, estados límite de corte en bloque y de apoyo. Placas base, Las varillas de anclaje y los cimientos se diseñan a partir de la compresión gobernante., edificación, reacciones de corte y momento.
Comprobaciones de capacidad de servicio
Un edificio puede ser lo suficientemente fuerte pero aun así funcionar mal si se desvía o vibra excesivamente.. Los límites de servicio protegen el drenaje del techo, paneles de pared, puertas, grúas, Techos y comodidad de los ocupantes.. Las comprobaciones típicas incluyen la deflexión de las vigas., correa dice, deriva de columna, Alineación de pistas de grúa y vibración de pisos o plataformas de equipos..
Un ejemplo de cálculo conceptual simple
Considere una correa de techo espaciada en 1.5 m soportando una carga de techo combinada no factorizada hacia abajo de 0.60 kN/m². El ancho de su afluente es 1.5 metro, por lo que la carga de línea básica transferida a la correa es:
0.60 kN/m² × 1.5 metro = 0.90 kN/m
Luego, el ingeniero aplica los factores del código que rigen y verifica la flexión., corte y deflexión para el tramo real y la condición de restricción. Una combinación de viento separada puede invertir la dirección y crear elevación. Ese caso de elevación puede controlar los sujetadores de la correa a la viga incluso si el caso descendente controla la flexión de la correa..
En el marco principal, Las cargas de múltiples correas se acumulan sobre el tramo afluente del marco.. El análisis los distribuye a través de las vigas y columnas hasta los cimientos.. Este ejemplo simplificado ilustra el proceso., pero no sustituye la ingeniería específica del proyecto porque los cálculos reales deben incluir todas las cargas aplicables., combinaciones, disposiciones de geometría y código.
Cómo las cargas de diseño afectan el costo de la construcción de acero
Las cargas de diseño más altas generalmente aumentan el tonelaje de acero., capacidad de conexión y tamaño de la base, pero la relación no es uniforme. El viento puede aumentar los refuerzos y los anclajes sin cambiar mucho las vigas de gravedad.. Una grúa puede requerir columnas y cimientos más fuertes a lo largo de una sola bahía de producción.. La nieve acumulada puede afectar a una zona limitada del tejado en lugar de a todo el edificio..
- Mayor velocidad básica del viento o terreno expuesto
- Fuertes nevadas y acumulación de ventisqueros
- Alta demanda sísmica o límites estrictos de deriva
- Amplios vanos libres y grandes espacios entre bahías
- Puentes grúa para cargas pesadas
- Entrepisos y almacenamiento denso
- Grandes aberturas de puertas o construcción de lados abiertos
- Servicios pesados suspendidos y equipos de techo.
- Suelo débil o reacciones de levantamiento significativas.
La buena ingeniería busca una trayectoria de carga eficiente y un sistema estructural apropiado en lugar de simplemente aumentar cada miembro.. La coordinación temprana puede reducir el material innecesario y al mismo tiempo preservar la seguridad y la flexibilidad futura.. Para factores de planificación relacionados, vea nuestra guía para diseño de cimientos de estructura de acero.
Errores comunes en el cálculo de la carga
- Usando viento, nieve o valores sísmicos de otro lugar
- Ignorar la presión del viento interno causada por grandes aberturas
- Aplicar solo nieve uniforme y omitir zonas de deriva locales
- Dejando paneles solares, sistemas contra incendios, conductos o techos sin carga muerta
- Comprobación de la carga de almacenamiento promedio, pero no de cargas concentradas en bastidores o ruedas
- Uso de la capacidad de la grúa sin rueda completa, datos de impacto y sobretensión
- Comprobación de la resistencia del miembro sin tener en cuenta la deflexión, deriva o vibración
- Suponiendo que cada unión modelo es rígida cuando la conexión real no lo es
- Envío de reacciones incompletas al diseñador de la fundación.
- Descuidar la estabilidad temporal durante la erección
Estos errores pueden resultar en un rediseño, cambios de fabricación o restricciones operativas. Una base de diseño coordinada y supuestos documentados son mucho menos costosos que corregir un modelo de carga incompleto después de que comienza la producción de acero..
Qué proporcionar para cálculos precisos de carga de edificios de acero
Al solicitar un diseño y cotización, proporcionar la ubicación del proyecto, dimensiones del edificio, uso previsto, altura libre, tamaños de puerta, especificaciones de techo y pared, información de la grúa, distribución del entrepiso, cargas de equipos, código de diseño aplicable e informe geotécnico disponible. Identificar futuras incorporaciones, como paneles solares., Líneas de producción o estanterías de almacén..
Si los datos finales no están disponibles, indicar qué elementos son preliminares para que se puedan discutir las asignaciones apropiadas. BF Steel Structure puede coordinar el esquema estructural, Requisitos de fabricación y aportaciones de diseño específicas del proyecto para almacenes., talleres y otras naves industriales. Puedes revisar nuestro proyectos de estructura de acero completados o contacta con nuestro equipo con su diseño y requisitos operativos.
Preguntas frecuentes sobre los cálculos de carga de edificios de acero
¿Qué cargas se deben considerar para una construcción de acero??
Los proyectos típicos se consideran muertos, vivir, viento, nieve, lluvia, sísmico, temperatura, cargas de equipos y construcción. Los edificios industriales también pueden requerir impacto de grúa, aumento, frenado, vibraciones y cargas de almacenamiento concentradas. La lista gobernante depende de la ubicación del proyecto., uso y código adoptado.
¿Una estructura de acero más pesada siempre hace que el edificio sea más seguro??
No. La seguridad depende de una trayectoria de carga continua, estabilidad apropiada del miembro, conexiones confiables, fundamentos correctos y detalles que cumplan con el código. Agregar peso también puede aumentar la demanda sísmica. Es preferible un sistema eficiente a aumentar miembros sin comprender la acción controladora..
¿Por qué la fuerza del viento puede controlar un edificio de acero??
Los edificios de acero son comparativamente ligeros, para que la succión del techo y la presión interna puedan exceder el peso permanente hacia abajo. Esto puede revertir las fuerzas en las correas., conexiones, pernos de refuerzo y anclaje y pueden crear un levantamiento de los cimientos.
¿Se pueden reutilizar los cálculos de carga para un edificio similar??
Un diseño previo puede informar la planificación temprana, pero no debe reutilizarse sin verificación. Peligros del sitio, geometría, aberturas, uso del edificio, equipo, Los requisitos del suelo y de los códigos locales pueden cambiar las cargas y combinaciones que rigen..
¿Las cargas de los cimientos provienen del análisis de la construcción de acero??
Sí. El análisis estructural proporciona reacciones de columnas para casos y combinaciones de carga relevantes., incluyendo compresión, edificación, cortante horizontal y momento. El ingeniero de cimentaciones combina estas reacciones con los requisitos de diseño del suelo y del hormigón..
Conclusión
Los cálculos precisos de carga de edificios de acero conectan los peligros del sitio y los requisitos operativos con cada parte de la estructura completa.. Muerto, vivir, viento, nieve, sísmico, Se deben definir las cargas temporales y de grúa., Combinados y transferidos a través de un camino continuo desde el revestimiento y el equipo hasta el suelo de soporte..
El resultado más económico proviene de la información completa del proyecto., un sistema de estructura apropiado y una cuidadosa coordinación entre estructuras, arquitectónico, diseño de equipos y cimientos. Confirmar la base del diseño tempranamente ayuda a evitar el sobrediseño, Deficiencias ocultas y cambios costosos después de que comienza la fabricación..
Preguntas frecuentes
① ¿Qué es un edificio con estructura de acero?
Un edificio con estructura de acero se construye principalmente con componentes de acero de alta resistencia, como vigas H y columnas. Se utiliza ampliamente en almacenes, talleres, granjas avícolas, e instalaciones industriales por su durabilidad y rentabilidad.
②¿Cuánto cuesta una construcción de acero?
Los costos de construcción de acero dependen de las dimensiones, cargas estructurales, especificaciones de materiales, ubicación del proyecto y alcance de suministro acordado. Una cotización preliminar puede comenzar con la estructura de acero principal. Paneles de techo y pared, transporte, los cimientos y la instalación deben considerarse por separado cuando sea necesario. Las soluciones personalizadas pueden variar según los requisitos específicos.
③¿Cuánto tiempo lleva construir una estructura de acero?
Los plazos de fabricación dependen de las dimensiones del edificio, la complejidad estructural, las especificaciones de los materiales y la programación de producción. Se puede proporcionar un plazo estimado de fabricación después de revisar los requisitos del proyecto. La duración del montaje depende de las condiciones de la obra, la complejidad del edificio y el alcance de trabajo acordado.
④ ¿Ofrecen soporte de instalación?
La documentación de montaje y la asistencia técnica dependen del alcance acordado para cada proyecto. Si necesita apoyo para la instalación, indíquelo al solicitar la cotización para que podamos revisar las opciones disponibles, las responsabilidades y los requisitos locales.
⑤¿Pueden los edificios de acero soportar condiciones climáticas extremas?
Los edificios de acero pueden diseñarse para las cargas de viento, nieve y sismo específicas de cada proyecto, de acuerdo con las normas de diseño aplicables, los cálculos estructurales y las condiciones locales. Las cargas de diseño y las normas requeridas deben confirmarse antes de comenzar el diseño estructural.
