Edificios industriales con estructura de acero Juan Felipe Beltrán Departamento Ingeniería Civil Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Revisión, elaboración del guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera

Edificios industriales de acero Contenido Definición Tipos de edificios industriales Cargas Diseño de edificios industriales Criterios de serviciabilidad Mantención En este capítulo se presenta una descripción general de los edificios industriales de acero. El capítulo parte con una definición de lo que se entiende por un edificio industrial. A continuación se ilustran sus principales usos, los tipos más comunes de estructuración utilizados, y se describen los tipos de cargas consideradas en su diseño. Luego, de manera global, se identifican las etapas de diseño de un edificio industrial, mencionando las características estructurales, y los límites de deformación asociados a la serviciabilidad de algunos elementos estructurales. Por último, se hace referencia a la mantención necesaria de los edificios industriales.

Edificios Industriales 1. Definición Edificios Industriales Usos principales Alojar procesos de producción Almacenamiento de equipos e insumos Diseño Estética del edificio Distribución de plantas libres y pasillos Límites de altura Maquinarias equipos y métodos de almacenamiento Remodelaciones y cambio de uso Cargas/solicitaciones Relaciones entre áreas de trabajo, flujos de producción y consideraciones acústicas. El edificio industrial está principalmente destinado a alojar procesos de producción y al almacenamiento de equipos e insumos. En este contexto, el edificio industrial brinda protección a los empleados contra las inclemencias del tiempo y resguarda la maquinaria y materiales contra la intemperie, del robo y de otras causas de pérdidas o deterioro. En el diseño de edificios industriales se debe considerar los siguientes aspectos: estética del edificio, distribución de plantas libres y pasillos, límites de altura, maquinarias, equipos y métodos de almacenamientos, futuras remodelaciones y cambios de uso, cargas, materiales y terminaciones, y relaciones entre las áreas de trabajo, flujos de producción y consideraciones acústicas.

2. Tipos de edificios industriales Clasificación Edificios industriales más comunes Pórtico simple Pórtico doble sin pilar central Pórtico doble con pilar central Pórtico con viga reticular Pórtico con armadura de techo y columnas reticulares para puentes grúas. Por su economía, la forma más utilizada en edificios industriales es el pórtico con cubierta inclinada típicamente con luces o vanos de 20 – 30 metros y 6 metros entre pórticos. Puesto que los pilares internos ocupan un espacio apreciable en su entorno, su separación puede incrementarse utilizando vigas reticuladas para soportar las cargas de techo. Las vigas reticuladas son más livianas que las armaduras de los pórticos, por lo que, basándose sólo en requisitos estructurales, los sistemas de vigas reticuladas resultan económicamente efectivos para luces o vanos superiores a 20 metros. Además, elementos armados o reticulados pueden utilizarse para estructuras que soportan puentes de grúa pesados. Pórtico doble sin pilar central Pórtico simple

2. Tipos de edificios industriales Clasificación Pórtico doble con pilar central Pórtico con viga reticular Pórtico con armadura de techo y columnas reticulares para puentes grúas.

3. Cargas Tipos de cargas Tipos de carga a considerar en el diseño Carga muerta Carga viva Carga de nieve Carga de lluvia Carga de viento Carga de sismo Carga de grúa Fatiga Impacto vertical Cargas horizontales Cargas longitudinales Momento flector por excentricidad Fuerzas relacionados con la detención Las cargas que deben ser consideradas para el diseño de un edificio industrial pueden ser categorizadas dentro de grupos específicos tales como: carga muerta, carga viva, carga de nieve, carga de lluvia, carga de viento y carga sísmica. Para edificios industriales que poseen grúas, deben considerarse cargas adicionales debido a la interacción edificio-grúa, en particular, cuando la grúa está en operación. Estas cargas adicionales pueden ser clasificadas en: fatiga de las trabes sobre las que la grúa opera, carga de impacto vertical de las ruedas de la viga puente grúa, cargas horizontales y longitudinales sobre las trabes en que la grúa opera, flexión debido a la excentricidad de la grúa y fuerzas relacionadas con la detención de la grúa.

4. Diseño de Edificios Industriales Etapas de diseño Determinar distribución geométrica del edificio Determinación de las cargas Diseño preliminar de las columnas que reciben cargas de grúa (si corresponde) Diseño del techo: armadura y/o viga Diseño de muros exteriores Diseñar el pórtico (edificio) ante combinación de cargas Diseño final: columnas, armaduras, vigas, arriostramientos, detallamiento, chequeo serviciabilidad El diseño de edificios industriales puede ser dividido en varias etapas: (a) determinar la mejor distribución geométrica del edificio de acuerdo al propósito de éste; (b) determinación de las cargas de diseño; (c) diseño preliminar de las columnas que transmiten las cargas de grúa si el edificio las posee; (d) diseño del techo considerando cargas vivas y muertas, que puede ser el diseño de armaduras y vigas; (e) diseño de muros exteriores; (f) diseño del pórtico del edificio considerando varias combinaciones de carga. Este análisis se realiza sin considerar que existe transferencia de carga entre pórticos adyacentes; (g) analizar el pórtico considerando la transferencia de cargas entre pórticos adyacentes;(h) combinar los dos análisis anteriores; (i) diseño final del edificio.

4. Diseño de Edificios Industriales Techos Diseño de techos Consideraciones Resistencia Peso Luz (vano) a cubrir Aislación Acústica Estética Estructuración de techos Cubierta de acero – techos de membrana Plana Inclinada Armaduras Entre los factores a considerar en la elección del tipo específico de techo se pueden mencionar los siguientes: resistencia, peso, luz o vano a cubrir, aislación, acústica y aspectos estéticos. En general, se pueden distinguir dos tipos de estructuración de techos: utilización de vigas laminadas en caliente o frío o vigas armadas (reticuladas) para tener cubiertas planas o inclinadas, y utilización de armaduras.

4. Diseño de Edificios Industriales Techos Cubierta inclinada Cubierta plana Viga armada (reticular) Viga de acero Armadura de techo En esta lámina se presentan dos tipos de estructuraciones de techo: techo inclinado y plano, y techo en base a armadura. Los inconvenientes de las cubiertas inclinadas se derivan de la necesidad de la utilización de canaletas y recolectores verticales interiores de aguas lluvia. Esto constituye una fuente de goteras, y además dificulta el acceso a instalaciones de la planta montadas externamente en la cubierta. En general, la forma de la cubierta de techo más versátil es la nominalmente plana, sellada con una membrana aislante sobre panel metálico. Esta forma permite una amplia libertad en la planta y elimina la necesidad de canaletas interiores para las aguas lluvias, aunque puede ser necesaria alguna forma de eliminación interna de aguas lluvia si la extensión de la cubierta es grande.

4. Diseño de Edificios Industriales Techos Estructuración de techos viga de acero plana – inclinada. Cubierta Proveer arriostramiento Prevenir levantamiento del techo Servir como diafragma Armadura Arriostramiento discreto Estabilidad: rigidez y resistencia Transmitir fuerzas de sismo y viento En el caso de la estructuración de techo en base a vigas de acero, ya sea inclinadas o planas, la conexión de la cubierta del techo debe ser tal que la cubierta debe proveer arriostramiento a los elementos estructurales que forman la estructura del techo, debe prevenir el levantamiento del techo y, en algunos casos, la cubierta debe servir como diafragma para transmitir cargas laterales a los arriostramientos verticales. Para el caso de una estructuración de techo en base a armaduras, se requiere arriostrar ciertos puntos de manera de asegurar la estabilidad de los elementos que forman la armadura. Los elementos que se utilizan como arriostramientos deben cumplir condiciones de rigidez y resistencia. Además, estos elementos pueden ser utilizados para transmitir cargas laterales de viento y sismo al sistema principal de estabilidad lateral del pórtico.

4. Diseño de Edificios Industriales Muros Propósito de muros exteriores Proveer protección Aislación térmica y acústica Refracción de la luz Resistencia al fuego Consideraciones en su elección Costo Resistencia Apariencia estética Velocidad de instalación/construcción Mantenimiento Durabilidad Desmonte - expansión El objetivo de los muros exteriores de un edificio industrial, es el de brindar protección a los trabajadores, maquinarias, materiales e insumos que se encuentran en el interior del edificio. Además, puede proveer aislación térmica y acústica, refractar la luz y brindar protección contra incendios. La elección de un sistema determinado de muro depende de varios factores entre los que se encuentran los siguientes: costo del sistema, resistencia ante la acción de cargas externas, apariencia estética, resistencia al fuego, velocidad de montaje, mantenimiento, durabilidad y facilidad de desmontaje para futuras expansiones.

4. Diseño de Edificios Industriales Muros Sistemas de muros Paneles armados en terreno Panel exterior – aislación – panel interior Materiales paneles: aluminio corrugado Aislación: fibra de vidrio Paneles armados en fábrica Panel metálico – aislación – panel interior Materiales paneles: aluminio Aislación: espuma plástica Paneles prefabricados Panel de concreto – aislación – panel de concreto Aislación: 2 a 6 pulgadas de poliuretano Paneles de concreto: mínimo 2 pulgadas de espesor Formas de los paneles: doble T, paneles perforados Paneles transmiten/no transmiten cargas Resistencia al fuego En general, se pueden mencionar cuatro tipos de sistemas de muro: paneles armados en terreno, paneles armados en fábrica, paneles prefabricados y muros de albañilería. Los paneles armados en terreno y en fábrica tiene una estructuración similar: un panel exterior, aislación y un panel interior. Para la construcción de los paneles se utilizan materiales como aluminio corrugado y placas de aluminio y como materiales de aislación se utilizan fibra de vidrio y espuma plástica. En el caso de paneles prefabricados, éstos tienen estructura tipo sándwich: capa de aislación entre dos capas de hormigón. La capa de aislación tiene un espesor que varía entre dos y seis pulgadas y en general es hecha de poliuretano. Los paneles de concreto tienen una resistencia inherente al fuego, poseen un mínimo de 2 pulgadas de espesor y en su diseño puede considerarse o no la transmisión de cargas a través de ellos.

4. Diseño de Edificios Industriales Muros Muros de albañilería Transmiten fuerzas No transmiten fuerzas (muro cortina) Resistencia al fuego Columnas de Viento Diseño económico de vigas-panel Columnas deben estar arriostradas Transmisión de cargas de viento Viga-panel Panel interior Panel exterior Aislación Sección del muro Los muros de albañilería son muy utilizados en edificios industriales debido a que son de superficie dura, fácil mantención, tienen una resistencia inherente al fuego y pueden ser utilizados como muros de corte para arriostrar columnas y resistir cargas laterales. Si el espaciamiento es mayor que 30 pies (10 metros) se requiere el uso de columnas de columnas intermedias para lograr un diseño económico de las vigas-panel. Sin embargo se debe enfatizar lo siguiente: (1) las columnas deben estar arriostradas de manera de transmitir cargas de viento; y (2) se debe poner especial atención en la conexión de las columnas al sistema de techo.

4. Diseño de Edificios Industriales Estructuración Estructuración Edificio Industrial Pórtico rígido Provee rigidez lateral en el plano del pórtico Rigidez longitudinal, perpendicular al pórtico, debe ser provista Pórtico arriostrado Requiere arriostramiento en techo y muros Arriostramiento tipo X o Chevron (V invertida). Sistema de arriostramiento interfiere Operaciones de planta Futuras expansiones Pueden resultar más económica que un pórtico rígido La determinación de la mejor estructuración de un edificio industrial usualmente depende de los requerimientos del mandante. En general, la elección de la estructuración de un edificio industrial puede dividirse en dos: (1) estructuración en base a pórtico rígido; y (2) estructuración en base a pórticos arriostrados. El pórtico rígido provee rigidez lateral en el plano de éste debido a la conexión rígida de los elementos que forman el pórtico. Sin embargo, para cargas perpendiculares al plano del pórtico, la rigidez longitudinal del edificio debe ser provista mediante un sistema de arriostramientos. Por otro lado, el pórtico arriostrado requiere arriostramiento en la estructura de techo y muros. Los arriostramientos utilizados más comunes son los del tipo X o Chevron. Sin embargo, en ocasiones el sistema de arriostramiento puede interferir las operaciones de planta y futuras expansiones.

4. Diseño de Edificios Industriales Estructuración (1) (4) (2) (3) (5) 1. Pórtico rígido 2. Arriostramiento horizontal en cubierta 3. Arriostramiento vertical 4. Columnas de fachada 5. Arriostramiento de columnas de fachada En esta lámina se muestra un edificio industrial en base a pórticos rígidos. Se esquematizan los arriostramientos verticales que proveen rigidez longitudinal al edificio, y los arriostramientos horizontales de cubierta o techo.

4. Diseño de Edificios Industriales Viga puente-grúa Viga Puente-Grúa Viga puente-grúa En esta lámina se muestra un arriostramiento vertical de un edificio que posee una grúa. La grúa puede desplazarse en la dirección longitudinal del edificio a través de una viga puente-grúa que se apoya en columnas. Columna Arriostramiento vertical en X viga puente-grúa

4. Diseño de Edificios Industriales Viga puente-grúa Diseño Viga Puente-Grúa Factores a considerar Carga de ruedas Espaciamiento de las ruedas Luz o vano de la viga Tipo de viga Viga laminada Viga o trabe armada Diseño Guía de diseño AISC Método ASD y LRFD Método alternativo mixto Diseño usando método ASD y Chequear pandeo lateral del alma con método LRFD Para el caso de edificios industriales que posean grúa, uno de los elementos estructurales a diseñar es la viga puente-grúa. Los factores a considerar para el diseño de vigas puente-grúa son: carga de las ruedas, espaciamiento de las ruedas y la longitud de la luz o vano de la viga. En la construcción de vigas puente-grúa pueden utilizarse vigas laminadas o trabes armadas. Para el diseño de estas vigas puede utilizarse el método ASD o el método LRFD. La guía de diseño AISC número 7 para edificios industriales presenta un método alternativo mixto de diseño, en que la viga se diseña con las especificaciones del método ASD y el pandeo lateral del alma se chequea con las especificaciones del método LRFD.

4. Diseño de Edificios Industriales Viga puente-grúa Método ASD Calcular inercias ejes x-x e y-y Satisfacer criterio de deflexiones L/600 a L/1000: deflexión vertical L/400: deflexión lateral Posicionar la grúa en la posición mas desfavorable Maximizar momento flector Calcular momentos flectores Mx y My Incluir efecto de impacto Considerar que la carga lateral es aplicada en el ala superior Seleccionar una sección en base a Mx Incluir efecto de My aumentando el tamaño de la sección Chequear sección En las siguientes dos láminas se describe el procedimiento a seguir para el diseño de una viga puente-grúa en base a las especificaciones del método ASD.

4. Diseño de Edificios Industriales Viga puente-grúa donde St = módulo de sección de la parte superior de la sección con respecto al eje y-y Chequear el pandeo lateral del alma Sección K1.5, especificaciones AISC. Método LRFD Mismo procedimiento descrito para método ASD Utilizar especificaciones AISC-LRFD Como se señaló anteriormente, este tipo de viga también puede ser diseñada en base a las especificaciones del método LRFD. Para tal efecto, se sigue el mismo procedimiento descrito en la lámina anterior, pero utilizando las especificaciones AISC-LRFD

4. Diseño de Edificios Industriales Columnas Diseño de Columnas Tipos de columnas En general, las columnas que soportan las vigas puente-grúa y estructura de techo se construyen como columnas con consola, con cambio brusco de sección, y como columnas compuestas o armadas. Estas últimas se forman al unir dos columnas mediante elementos en diagonal o con placas horizontales flexibles. En la mayoría de los casos, estas columnas son estáticamente indeterminadas, ya que normalmente la columna tiene un cierto grado de empotramiento en su base. Columna con consola Columna con cambio de sección abrupto Columna compuesta Columna compuesta

4. Diseño de Edificios Industriales Columnas Diseño Diagrama de momento flector debido a carga de grúa Grado de empotramiento en su base Rigidez relativa con otros elementos estructurales adyacentes Modelo Estructural: Diseño Preliminar Obtención de diagrama de momento flector debido a carga de grúa Modelo no considera desplazamiento lateral Base de la columna con empotramiento perfecto Estimar rigidez de las columnas para diseño posterior Efecto de armadura de techo Conocer la distribución del momento flector en la columna es muy importante para su diseño. Existen dos parámetros que tienen un remarcado efecto sobre la distribución del momento flector en la columna debido a la carga de la grúa: grado de empotramiento de la base y rigidez relativa con elementos adyacentes. Para determinar la distribución del diagrama de momento flector de la columna debido a la carga de la grúa y así poder dimensionarla para posteriormente realizar el análisis del edificio industrial completo, La guía de diseño AISC número 7 para edificios industriales presenta un modelo en que la base de la columna está empotrada y el desplazamiento lateral de ésta está impedido. Este modelo se basa en que la estructuración final del edificio industrial considera arriostramiento lateral.

4. Diseño de Edificios Industriales Columnas Estimación rigidez columnas Análisis del edificio industrial Análisis de estructura indeterminada Combinación de cargas Una vez que la rigidez de las columnas ha sido estimada, se procede a realizar el análisis del edificio industrial bajo diferentes combinaciones de carga.

5. Criterios de serviciabilidad Limitar deflexiones En general los códigos de diseño no explicitan límites de serviciabilidad. Límites de serviciabilidad: basados en el propósito del proyecto y experiencia del diseñador Criterios de serviciabilidad: Techos American Institute of Steel Construccion (AISC, 1989) Altura largueros trabajando a capacidad máxima ≤ L (luz)/20 Deflexión largueros soportan estructura de techo (carga de nieve) ≤ L (luz)/150 Steel Deck Institute (SDI, 2000). Carga viva Deflexión cubierta a carga uniforme ≤ L (luz)/240) Steel Joist Institute (SJI, 2002). Carga viva Deflexión viga que soporta techo de yeso ≤ L (luz)/360 En general, los límites de serviciabilidad de un elemento estructural, no están especificados en los códigos de diseño. Estos límites son usualmente establecidos de acuerdo a la experiencia del diseñador y propósito de la estructura. Sin embargo, diversas organizaciones han publicados criterios de manera de resguardar la serviciabilidad de elementos de techo y muros. Algunos de ellos se presentan en las siguientes láminas.

5. Criterios de serviciabilidad Limitar deflexiones Deflexión viga que soporta techo de cualquier material, excepto de yeso ≤ L (luz)/240 National Roofing Contractors Association (NRCA, 2001) Deflexión cubierta a carga uniforme ≤ L (luz)/240 Deflexión cubierta a carga puntual de 300 lb en L/2: ≤ L (luz)/240 Deflexión estructura de techo ≤ L (luz)/240 Factory Mutual (FM, 2000) Deflexión cubierta a carga puntual de 300 lb en L/2: ≤ L (luz)/200 Criterios de serviciabilidad: Paneles de Metal (Muros) American Institute of Steel Construccion (Design Guide 7) Deflexión perpendicular a la superficie del muro ≤ altura/(60 a 100) Deflexión de vigas y columnas que forman el panel ≤ L (luz)/120

5. Criterios de serviciabilidad Limitar deflexiones Criterios de serviciabilidad: Paneles Prefabricados (Muros) American Institute of Steel Construccion (Design Guide 7) Deflexión de la base del panel ≤ altura/100 Criterios de serviciabilidad: Paneles de Albañilería (Muros) American Institute of Steel Construccion (Design Guide 7). Elementos que soportan la albañilería Deflexión perpendicular a la superficie del muro no reforzado ≤ 1/16 in Deflexión perpendicular a la superficie del muro reforzado ≤ altura/100 Deflexión de vigas y columnas que forman el panel ≤ L (luz)/120 ≤ 1.5 in

6. Mantención Mantención Acceso adecuado para procesos de mantenimiento Conflicto con el uso del edificio Desmontar equipos o izarlos Toma de radiografías Aislación de zonas por seguridad Mantención cubierta-techo y muros Acumulación de agua y nieve Emisiones del proceso industrial Deterioro de la cubierta Eliminar humedad de muros Edificios con grúas Alineamiento de los rieles Deterioro de la grúa y rieles Detección y reparación de fisuras por fatiga Consultar Apéndice K, especificaciones AISC Todo material usado en la construcción tiene una vida limitada, que por lo general, puede prolongarse con un mantenimiento adecuado. Para llevar acabo este proceso, el proyecto del edificio industrial debe prever un acceso adecuado para el mantenimiento que se precise. Este puede entrar en conflicto con el uso previsto del edificio, lo que podría ocurrir fácilmente si el uso del edificio es intensivo. El proceso de mantenimiento podría requerir desmontar o izar equipos, toma de radiografías y la aislación de zonas por seguridad. La mantención de la cubierta es de particular importancia. Las posibles consecuencias de una acumulación excesiva de agua debido a un posible bloqueo de las canaletas verticales o lluvias torrenciales, nieve o granizo, deben considerarse al momento de decidor el tipo de cubierta a usar. Debe considerarse asimismo, el posible deterioro de la superficie de la cubierta debido al clima o emisiones agresivas del proceso industrial. Los muros exteriores requieren de una mantención periódica de manera de eliminar la humedad y material adosado a ellos. Para el caso de edificios que posean grúas, se debe considerar la constante inspección del alineamiento de los rieles como el control del deterioro de la grúa y rieles debido a su uso. Si fisuras por fatiga son encontradas, éstas deben ser reparadas. El proceso de reparación podría crear un problema de fatiga más grave que el originalmente encontrado. Se sugiere consultar el Apéndice K de las especificaciones de la AISC