Análisis estructural y estimación de la cantidad de acero para una estructura de acero de cinco-pisos

A continuación se muestra un análisis estructural y una estimación del tonelaje de acero para la estructura de estructura de acero de cinco-pisos descrita.

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Para realizar un análisis de carga significativo, se adoptan las siguientes suposiciones razonables (típicas de estructuras de soporte industriales o de servicios públicos ligeros):

Carga muerta del piso (DL): 1,0 kN/m²
(Incluye plataformas, acabados, elementos mecánicos/eléctricos, si corresponde, y el peso propio-de los miembros secundarios-el peso propio-de la viga principal se agregará por separado).

Carga viva (LL): 2,0 kN/m²
(Típico para almacenamiento liviano o acceso de mantenimiento; ajústelo si se pretende un uso diferente).

Carga muerta del techo: 0,8kN/m²

Carga viva del tejado/carga de nieve: 1,0 kN/m²

Carga de viento: Aquí no se distribuye por planta; Resistencia lateral manejada por arriostramiento (analizada por separado).

 

Geometría de la bahía:

Cada marco transversal es1,6 m de ancho.

Distancia longitudinal entre marcos: 5 vanos → [5,6 m, 5,6 m, 2,8 m, 5,6 m, 5,6 m].

Por lo tanto, cada "panel de piso" sostenido por vigas principales tiene un área =1,6 m × ancho de bahía.

Tes principales (W10×22)correrlongitudinalmente, conectando los 6 marcos transversales en cada nivel. Por lo tanto, cada viga soporta la mitad del ancho del afluente de los tramos adyacentes-pero como la estructura es solo1,6 m de ancho total, hay efectivamentedos vigas de bordesoportando todo el ancho de 1,6 m (o una viga central con voladizos). Por simplicidad, asumimosdos vigas longitudinales, cada uno llevando0,8 m de ancho del afluente.

Sin embargo, dado el estrecho ancho (1,6 m), es más práctico modelar el sistema de piso comouna sola tiradonde las dos vigas longitudinales W10×22 actúan comovigas de bordesoportando una plataforma de 1,6 m de ancho.

De este modo,área afluente por viga por bahía = 0,8 m × longitud de bahía.

Si no fuera porcálculo de carga de columna, consideramos elcarga total por marco transversal.

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Cada marco transversal (en una posición longitudinal determinada) soporta:

La mitad del área de la bahía a su izquierda + la mitad del área a su derecha.

Para marcos interiores (Marcos 2 a 5):

Longitud del afluente=(bahía izquierda + bahía derecha) / 2

Para marcos finales (Marco 1 y Marco 6):

Longitud del afluente=bahía adyacente / 2

Marco #	Bahía izquierda (m)	Bahía derecha (m)	Longitud del afluente (m)	Área afluente por piso (m²)=1.6 × Lₜ
1	–	5.6	2.8	4.48
2	5.6	5.6	5.6	8.96
3	5.6	2.8	4.2	6.72
4	2.8	5.6	4.2	6.72
5	5.6	5.6	5.6	8.96
6	5.6	–	2.8	4.48

Nota: Área total=(4.48 + 8.96 + 6.72 + 6.72 + 8.96 + 4.48) =40.32 m²
Área del plano completo=1.6 m × 25,2 m =40.32 m²→ ✔️Consistente.

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Carga muerta (DL)= 1.0 kN/m²

Carga viva (LL)= 2.0 kN/m²

Carga total no factorizada= 3.0 kN/m²

Marco #	Área (m²)	DL (kN)	LL (kN)	Carga total por piso (kN)
1,6	4.48	4.48	8.96	13.44
2,5	8.96	8.96	17.92	26.88
3,4	6.72	6.72	13.44	20.16

Además,peso propio-de las tes principalesdeben incluirse en las cargas de las columnas.

W10×22 peso=32.7 kg/m=0.321 kN/m

Cada cuadro se conecta ados segmentos de viga(izquierda y derecha)

Longitudes de segmento de viga=longitudes reales de tramo

Ejemplo para el cuadro 3:

Bahía izquierda=5.6 m → peso de la viga=0.321 × 5.6=1.80 kN

Bahía derecha=2.8 m → peso de la viga=0.321 × 2.8=0.90 kN

Peso total propio-de la viga afluente al Marco 3 ≈(1.80 + 0.90)/2?→ En realidad,El peso de la viga está totalmente soportado por columnas en los extremos., por lo que cada columna en un marco llevala mitad del peso de cada viga adyacente.

De este modo,carga vertical adicional de vigas por marco por piso:=0.5 × (bahía izquierda + bahía derecha) × 0,321 kN/m

Calcular para cada cuadro:

Marco	Bahías adyacentes (m)	Longitud total adyacente (m)	Peso propio de la viga-(kN)
1	[5.6]	5.6	0.5 × 5.6 × 0.321 = 0.90
2	[5.6, 5.6]	11.2	0.5 × 11.2 × 0.321 = 1.80
3	[5.6, 2.8]	8.4	0.5 × 8.4 × 0.321 = 1.35
4	[2.8, 5.6]	8.4	1.35
5	[5.6, 5.6]	11.2	1.80
6	[5.6]	5.6	0.90

Agregue esto a los totales anteriores:

 

Carga vertical total por marco por piso típico (Niveles 1 a 4):

Marco	Carga de área (kN)	+ Peso de la viga (kN)	Total por Piso (kN)
1,6	13.44	0.90	14.34
2,5	26.88	1.80	28.68
3,4	20.16	1.35	21.51

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DL del tejado=0.8 kN/m²

Techo LL=1.0 kN/m²

Total=1.8 kN/m²

Carga del techo basada en el área-por marco:

Marco	Área (m²)	Techo DL (kN)	Techo LL (kN)	Subtotal (kN)
1,6	4.48	3.58	4.48	8.06
2,5	8.96	7.17	8.96	16.13
3,4	6.72	5.38	6.72	12.10

Agregue el mismo peso propio-de la viga (las vigas aún están presentes en el techo):

Carga total del techo por marco:

Marco	Carga del área del techo (kN)	+ Peso de la viga (kN)	Techo total (kN)
1,6	8.06	0.90	8.96
2,5	16.13	1.80	17.93
3,4	12.10	1.35	13.45

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Suponiendo que todos los pisos sean idénticos (Niveles 1 a 4) y el techo como Nivel 5:

Marco	Carga/Suelo (kN)	×4 Pisos	Techo (kN)	Carga total de columna (kN)
1,6	14.34	57.36	8.96	66,3kN
2,5	28.68	114.72	17.93	132,7kN
3,4	21.51	86.04	13.45	99,5 kN

Nota: Estos soncargas de servicio no factorizadas. Para el diseño, utilice combinaciones LRFD (p. ej., 1.2DL + 1.6LL).

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Cargas por gravedadse transfieren desde la plataforma de 1,6 m de ancho a vigas longitudinales de W10×22, luego a columnas de W8×24 en cada uno de los 6 pórticos.

Carga axial máxima de la columnaocurre en los marcos 2 y 5 (~133 kN sin factorizar).

Estabilidad laterales proporcionado por:

Arriostramiento vertical en X-(L3×3×1/4) en al menos un vano (p. ej., vano central de 2,8 m).

Refuerzo horizontal (C9×20) en el techo (y posiblemente en otros niveles) para diafragmar las fuerzas laterales a los marcos arriostrados.

La estructura esestáticamente determinado en gravedad, ycomportamiento del marco-apuntaladogobierna la respuesta lateral.

Recomendación: Realice un análisis estructural 3D (por ejemplo, utilizando SAP2000, ETABS o STAAD.Pro) para verificar las capacidades de los miembros, la deriva y las fuerzas de conexión bajo carga combinada según AISC 360 y los códigos de construcción locales.

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Fin del análisis.

 

Regiones adaptables:Chile, Filipinas, Nueva Credonia, Tonga, Islas Vírgenes, Isla de la Reunión, Perú...

Aplicaciones: Componentes estructurales para almacenaje, almacenamiento, logística, estanterías de maquinaria y otros fines especiales.

Número de historias: 5

altura total: 12,2 m → altura promedio del piso=12.2 / 5 ≈ 2,44 m

Ancho del edificio (dirección corta): 1.6 m

Longitud del edificio (dirección larga): 25.2 m

Bahías de marco (marcos transversales): 6 marcos espaciados a [5,6 m, 5,6 m, 2,8 m, 5,6 m, 5,6 m] a lo largo de los 25,2 m de longitud
→ Suma total del espacio entre bahías=5.6 + 5.6 + 2.8 + 5.6 + 5.6=25.2 m (consistente)

Miembros primarios:

Columnas: W8×24 (según ASTM A992 o equivalente)

Vigas principales (vigas): W10×22

Arriostramiento horizontal: C9×20 (sección canal)

Refuerzo vertical (piso): L3×3×1/4 (ángulo de pierna igual-)

 

La estructura es un marco resistente al momento-estabilizado lateralmente mediante refuerzos diagonales tanto en el plano horizontal como en el vertical.

Ruta de carga por gravedad:
Las cargas del piso (muertas + vivas) se transfieren a través del sistema de piso (no detallado aquí) a las vigas principales (W10×22) y luego a las columnas (W8×24). Dado el ancho estrecho (1,6 m), es probable que las vigas principales se extiendan transversalmente (1,6 m) y estén sostenidas por columnas alineadas a lo largo de la dirección de 25,2 m. Sin embargo, dada la práctica típica y la designación de miembros, es más plausible que:

Elvigas principales corren longitudinalmente(dirección de 25,2 m), sostenido por marcos transversales espaciados cada ~5–6 m.

Pero con sólo 1,6 m de ancho, esto sugiere unaestructura estrecha de una sola-bahía, posiblemente un puente, un dosel o un marco de soporte de equipo.

Dada la geometría (1,6 m de ancho × 25,2 m de largo × 12,2 m de alto), esto parece ser unmarco lineal(por ejemplo, una estructura de soporte para servicios públicos o una pasarela), con 6 marcos transversales (cada uno de 1,6 m de ancho) espaciados a lo largo de 25,2 m de longitud.

De este modo:

Cadamarco transversalconsta de dos columnas (altura=2.44 m por piso × 5=12.2 m en total) y vigas de conexión en cada nivel.

Tes principales(W10×22) probablemente se ejecutelongitudinalmente, conectando los marcos transversales en cada nivel de piso.

Vigorizante:

arriostramiento horizontal(C9×20) en el techo y posiblemente en niveles intermedios para transferir cargas laterales a marcos arriostrados.

Arriostramiento vertical (piso)(L3×3×1/4) en uno o más tramos para proporcionar rigidez lateral contra cargas de viento/sísmicas.

 

 

Pesos unitarios (del Manual AISC):

W8×24: 24 libras/pie=35.7 kg/m

W10×22: 22 libras/pie=32.7 kg/m

C9×20: 20 libras/pie=29.8 kg/m

L3×3×1/4: peso ≈ 4,9 lb/ft=7.3 kg/m (calculado a partir del área ≈ 1,44 in²)

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A. Columnas

Número de marcos transversales: 6

Cada marco tiene 2 columnas (asumiendo un marco rectangular)

Total de columnas=6 × 2=12

Altura por columna=12.2 m

Longitud total de la columna=12 × 12.2=146.4 m

Peso de acero de la columna=146.4 m × 35,7 kg/m ≈5.226 kilogramos

 

B. Tes principales (vigas longitudinales)

Suponiendo vigas en cada uno de los 5 niveles del piso que recorren toda la longitud de 25,2 m, ydos vigas por nivel(más 6 de los 1,6 m de ancho):

Vigas por nivel=2

Niveles=5

Longitud total de la viga=2 × 5 × 25.2 + 1.6 x 6 x 5=300 m

Peso de la viga de acero=300 m × 32,7 kg/m ≈9.810 kilogramos

Nota: Si la estructura utiliza solo una viga central o una configuración diferente, ajuste en consecuencia. Esto supone un marco perimetral.

 

C. Arriostramiento Horizontal (C9×20)

Normalmente se instala a nivel del tejado y posiblemente en pisos intermedios. Asumir:

Una capa de arriostramiento horizontal en el techo (arriostramiento en planta formando una X o una sola diagonal por panel)

Paneles entre marcos: 5 paneles (entre 6 marcos)

Longitud diagonal por panel ≈ √(5,6² + 1.6²) ≈ 5,82 m (para módulos de 5,6 m); para bahía de 2,8 m: √(2,8² + 1.6²) ≈ 3,22 m

AsumirX-arriostramiento en una sola bahía(mínimo para estabilidad), por ejemplo, en la bahía central de 2,8 m:

Diagonales en el techo: 2 × 3.22=6.44 m

Posiblemente también a nivel del suelo o intermedio: supongamos 3 niveles con arriostramiento → 3 × 6.44=19.3 m

Longitud total C9×20 ≈ 20 m (conservador)

Peso=20 m × 29,8 kg/m ≈596 kilogramos

Si se utilizan armaduras horizontales completas en todos los niveles, la cantidad aumenta significativamente. Esta es una estimación mínima. De hecho, hay refuerzos horizontales en cada bahía, por lo que el uso real será mucho mayor.

 

D. Arriostramiento vertical (piso) (L3×3×1/4)

Asumiruna bahía reforzadaa lo largo (por ejemplo, entre los Cuadros 3 y 4, a lo largo del vano de 2,8 m) con refuerzos X-en cada piso.

Número de pisos=5 → 5 paneles de refuerzo

Alto del panel=2.44 m, ancho=2.8 m

Longitud diagonal por panel=√(2,44² + 2.8²) ≈ 3,71 m

Dos diagonales por panel (X-correspondiente) → 2 × 3.71=7.42 m por piso

Longitud total=5 × 7.42=37.1 m

Peso=37.1 m × 7,3 kg/m ≈271 kilogramos

Si se arriostran varios tramos, multiplique en consecuencia.

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Componente	Peso (kg)
Columnas (W8×24)	5,226
Tes principales (W10×22)	9,810
Arriostramiento Horizontal (C9×20)	596
Arriostramiento vertical (L3×3×1/4)	271
Total (aprox.)	15.903 kilos

≈ 15,9 toneladas métricas

Nota: Esto excluye conexiones, placas base, miembros secundarios o plataformas. El peso real de fabricación puede ser entre un 10% y un 15% mayor debido a detalles de conexión y desperdicios.

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Esbeltez: Las columnas W8×24 (d ≈ 8 in, A ≈ 7,08 in²) de más de 12,2 m de altura sin arriostrar pueden ser delgadas. El factor de longitud efectiva (K) depende de las condiciones finales. Para fijado-fijado, KL/r puede exceder los límites a menos que esté apuntalado.El refuerzo vertical es esencialpara reducir la longitud efectiva de la columna.

Luz de viga: W10×22 sobre 5,6 m (si las vigas se extienden transversalmente entre los marcos) es razonable para cargas ligeras. Pero si las vigas se extienden continuamente 25,2 m, la deflexión y la resistencia serían inadecuadas-por lo tanto, la configuración supuesta (vigas como vigas longitudinales entre pórticos transversales) es más plausible.

Estabilidad lateral: Proporcionado por la combinación de arriostramiento X-vertical (resistente al viento/sísmico) y arriostramiento horizontal (acción de diafragma).

Supuestos de carga: Sin cargas muertas/vivas/viento específicas, esta es una estimación preliminar. Se requiere un diseño detallado según AISC 360.

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Conclusión
El marco de acero descrito es un marco estrecho, de varios-pisos con un tonelaje de acero estimado deaproximadamente 15,9 toneladas métricas. El sistema estructural se basa en arriostramientos diagonales para la estabilidad lateral, y los tamaños de los miembros parecen adecuados para cargas ligeras-a-moderadas, siempre que un arriostramiento adecuado reduzca las longitudes efectivas de las columnas. Se recomienda realizar un análisis estructural completo que incluya combinaciones de carga, diseño de conexiones y comprobaciones de capacidad de servicio antes de la construcción.