“AÑO DE LA INTEGRACION NACIONAL Y EL RECONOCIMIENTO DE NUESTRA DIVERSIDAD”
FACULTAD DE INGENIERIA ESPECIALIDAD CIVIL
DISEÑO DE UNA NAVE INDUSTRIALCON PUENTE GRUA
PRÓLOGO
Con este trabajo aplicativo final se pretende presentar una información práctica y resumida para el diseño sísmico de una nave industrial con un puente grúa, desde uso de tablas, fórmulas, de un software de diseño, hasta su aplicación. La información contenida en este trabajo, es resultado del empleo de la norma peruana E.030 para el diseño sísmico de estructuras metálicas, siendo esta no específica para el diseño de naves industriales con puente grúa, por lo cual se tomaron como apoyo algunas normas extranjeras como la norma europea (euro código 3), norma norte americana (ASCE 7-05) y sur americana (NCh2369.of2003) de donde se obtuvieron especificaciones sobre el DRIFT y algunos conceptos generales para el diseño de estructuras metálicas industriales.
El nombre del tema y título de este trabajo aplicativo responde a la amplia gamma del empleo de las naves industriales en los diferentes sectores de la industria peruana y extranjera; mas aun si esta cuenta con un puente grúa para la carga, descarga y traslado práctico de diferentes cosas o productos.
La estructura general del presente trabajo está dividida en 3 capítulos: El capítulo 1 es la introducción, donde se detalla los antecedentes, objetivo, alcances y conceptos generales que serán usados para el Diseño Sísmico de una Nave Industrial con un Puente Grúa. El capitulo 2 trata de las consideraciones generales que se deben tomar en cuenta para el diseño; se describe el cálculo estructural sísmico de una nave industrial con un puente grúa mediante un análisis dinámico por combinación modal espectral para cada uno de las direcciones horizontales analizadas, también el cálculo y verificación de los elementos estructurales importantes. En este capítulo se trata de mostrar que el tema
principal de este trabajo aplicativo final es el Diseño Sísmico de una Nave Industrial con un Puente Grúa; donde el problema será resuelto por el método de análisis dinámico mediante el empleo de una herramienta de cálculo estructural (sap2000 v14).
El capitulo 3 trata en forma particular del diseño de la viga principal tipo cajón del puente grúa, donde se realizarán los cálculos por resistencia mecánica y por estabilidad. De esta manera introductoria se quiere dar a conocer este trabajo aplicativo, donde la viga principal del puente grúa como elemento estructural y como complemento de las naves industriales son muy solicitados en su conjunto en los diferentes sectores industriales y de esta manera estaríamos cumpliendo en forma integral el diseño y la construcción estructural de la edificación sin la contratación de terceros. Con respecto al sistema de unidades, en este trabajo aplicativo final, primará el Sistema Internacional de Unidades; pero también en algunos casos serán representados por el sistema ingles dado que la información referencial es americana (USA) y estando establecido tácitamente que en el mercado se trabaja con ambos sistemas
ÍNDICE Pág.
CAPITULO 1:……………………………………………………………………... .....04
INTRODUCCIÓN………………………………………………..........................04 1.1 Antecedentes……………………………………………………………………04 1.2 Objetivos……………………………………………………………………... ...05 1.3 Alcances………………………………………………………………………… 06 1.4 Definición de Nave Industrial con Puente grúa……..…………………………06
CAPITULO 2: DISEÑO DE UNA NAVE INDUSTRIAL CON PUENTE GRÚA………………………………………………………………………………….. 13 2.1
Consideraciones para el diseño…………….………………………….. ..13
2.2 Elementos de entrada para el diseño………..…………………………..14 2.3 Elementos de salida del diseño……………………………………………18 CAPITULO
3:
CALCULO
ESTRUCTURAL
DE
LA
VIGA
PRINCIPAL
CAJÓN………………………………………………………………………………………26 3.1.- Calculo y verificación de la estabilidad……………………………..………….34 3.2.- Calculo y verificación de la resistencia mecánica…………………..…………35
CONSIDERACIONES Y RECOMENDACIONES……………………………..36
CONCLUSIONES…………………………………………………………….…… .39 BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………….………….42
ANEXOS
TIPO
CAPITULO I INTRODUCCION 1.1.- Antecedentes Las naves industriales con puente grúa son edificaciones muy utilizadas en los diferentes sectores de la industria peruana y extranjera como en la minería, en la industria metal mecánica, en la industria siderúrgica y en las diferentes industrias alimenticias. Mediante un puente grúa se puede realizar la carga, descarga y traslado de diferentes materiales y equipos realizando movimientos horizontales y verticales en el espacio interior de la nave. En el sector minero las edificaciones con puente grúa son usadas para la protección de sus grandes instalaciones de las diferentes variaciones de climas y también son usados para los trabajos de montaje y desmontaje de sus equipos para realizar labores de mantenimiento.
Este trabajo aplicativo final comprende el diseño sísmico de los elementos estructurales de la nave industrial, el cálculo estructural de la viga principal tipo cajón del puente grúa y de los elementos estructurales constitutivos de la nave industrial. 1.2.- Objetivo El objetivo general es realizar el Diseño Sísmico de una Nave Industrial con un Puente Grúa considerando desplazamientos prudentes con fines de protección. El diseño estará basado según la norma E.030 considerando un coeficiente de uso e importancia U=1 y será instalado en un parque industrial de Huancayo utilizando como herramienta de cálculo el sap2000 v14. y conocimientos obtenidos durante la cátedra del ingeniero Fabian Brañez, Alcides Luis en el curso Diseño de Acero.
1.3.- Definición de nave industrial con puente grúa Nave industrial es aquel “local o cobertizo destinado a almacén o en el que está instalada una industria”. Pero ningún empresario compraría hoy esta aceptación para guardar su negocio, tampoco valdría la de hangar, el hermano mayor de las naves, descrito como “cobertizo para aviones”. Tanto las empresas que desarrollan su actividad en naves – fábricas – ,como las que albergan en ellas stocks o sus materias primas para trabajar necesitan espacios acondicionados con unas características propias a su tipo de negocio. En una nave industrial se necesitan grandes claros, a fin de lograr grandes espacios sin existencia de apoyos intermedios, de tal manera que en la nave industrial se pueda operar sin obstáculos ni restricciones, trabajando así con mucha versatilidad. Una nave industrial es fácil y rápida de construir ya que la mayoría de los elementos son prefabricados, se construyen en planta y solo en obra se colocan y se ensamblan, para esto se usan las grúas, las cuales son muy fáciles de mover y rápidamente ponen los prefabricados, por consiguiente se pueden construir estas naves en corto tiempo. Las naves industriales también se caracterizan por su economía, debido al ahorro que se tiene al salvar grandes claros, también porque los elementos que forman las armaduras son ligeros, así como el techo y cerramientos, todo esto ayuda a la economía ya que se construyen estas naves en poco tiempo y con poca mano de obra. La nave industrial se caracteriza porque es un edificio grande, de una sola planta, con el techo alto y sin divisiones, que se usa como fábrica, como granja o como almacén para resolver problemas operacionales de una industria. El puente grúa es un tipo de aparato de elevación y transporte de carga con tres grados de libertad (x,y,z) compuesto por una viga principal simple o doble biapoyada sobre dos vigas carrileras elevados por las columnas de la edificación. El movimiento longitudinal se lleva a cabo mediante la traslación de la viga
principal sobre dos carros motorizados (carros testeros) que van instalados en ambos extremos de la viga principal y estos carros ruedan sobre las vigas carrileras elevadas. En su totalidad de los casos, la rodadura es por ruedas metálicas sobre carriles también metálicos. El movimiento transversal se realiza mediante el desplazamiento de un carro o trolley sobre dos carriles dispuestos sobre la viga principal. Como en el caso anterior la rodadura es para todos los casos de tipo acero sobre acero. El movimiento vertical se ejecuta a través del mecanismo de elevación: polipasto. 1.4.1.- Componentes de la nave industrial con un puente grúa Se compone de las siguientes partes (Figura 1.1): a). Columna con ménsula b). Viga carrilera c). Pórtico d). Viga principal e). Carros testeros f). Polipasto o mecanismo de elevación y trolley (carro) g). Instalaciones eléctricas del mecanismo de elevación y de los carros testeros.
Figura 1.1 Nave industrial con Puente grúa y componentes
Vista de una nave industrial del sector metal mecánico
CAPITULO II DISEÑO DE UNA NAVE I NDUSTRIAL CON UN PUENTE GRÚA
2.1.- CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO Es recomendable que como primera etapa del proceso se determinen los criterios de diseño para la estructura, recogiendo las necesidades de cada especialidad. Es decir, donde se ubicará, las condiciones climáticas, condiciones de uso y aspecto, cargas propias de instalaciones, y otras necesarias a considerar en el diseño de la estructura:
Ambientales: locación, temperatura, humedad, vientos, lluvia, nieve, suelos, sismología.
Operacionales: dimensiones, pendientes,
alturas de almacenaje, cargas
particulares, planimetría de losas, etc.
Arquitectura: cerramientos, pisos, etc.
Acústicos y térmicos: aislamientos para cumplir con ECA y temperaturas de confort.
Instalaciones Sanitarias: agua, desagüe, sistemas contra incendios, etc. Eléctricas: luminarias, bandejas, SSEE, etc. Mecánicas: puente grúa, equipos HVAC, montacargas, etc. Otros: alarma, detectores, megafonía, etc.
También definir el tipo de nave y tipo de puente grúa que necesita el cliente y que cumpla las necesidades de servicio.
Tener bien claro las dimensiones exactas de la nave donde será instalado el puente grúa para definir la longitud de la viga principal,
Considerar los elementos principales de seguridad en el diseño de puentes grúa; para las operaciones de mantenimiento barandillas, escaleras de acceso y
pasarelas adecuadas. 2.2.-ELEMENTOS DE ENTRADA PARA EL DISEÑO Esta nave será instalada en un parque industrial de Lima. Dimensiones de la nave con puente grúa: Luz: 20,0 m Longitud: 66,0 m Altura de techo más bajo: 11,5 m Inclinación de techo: 11,3° Separación entre columnas: 6,0 m Capacidad de puente grúa: 10,0 TM Material de las estructuras: acero estructural ASTM A-36 Esfuerzo a la fluencia. Fy = 36 Ksi =25,3 Kg/mm2; Esfuerzo a la tracción: Fu = 58 Ksi = 40,76 Kg/mm2; Modulo de elasticidad: E = 29000 Ksi = 21000 Kg/mm2; Poisson’s ratio: 0,3. Normas a emplearse para el diseño: E.020 Cargas E.030 Diseño sismo resistente E.090 Estructuras metálicas Como apoyo, la norma de Diseño Sísmico de Estructuras e Instalaciones Industriales NCh2369of.2003. Conjuntamente con el Euro Código EC3. Manual AISC Cargas a considerar:
Carga viva (L): carga nominal del puente grúa (10 TM), carga del carro y polipasto (1,0 TM); también se considera un peso de 30 Kg/m2 sobre el techo (considerando techo liviano).
Carga muerta (D): Peso propio de las estructuras, correas de techo (6,5 TM) y cerramientos de techo (4 Kg/m2).
Carga de viento (W): Para este diseño no se consideró la fuerza de viento, no existiendo en la ciudad de lima vientos considerables, siendo preponderante el análisis sísmico.
Carga sísmica (Q): El diseño sísmico se hará mediante un análisis dinámico por combinación modal espectral, de acuerdo a las condiciones del sitio, donde se considerará una masa de 50% de la carga viva.
Cargas de impacto ocasionados por el puente grúa: adicionar 10% a la carga nominal.
Fuerza horizontal en puente grúa: en dirección al eje y considerar 20% de la carga nominal y del peso del polipasto ( 2,2 TM).
Fuerza longitudinal en puente grúa: mínimo 10% de la carga nominal y el peso del polipasto (1,1 TM).
Combinación de cargas según el método LRFD:
C1: 1,4D
C2: 1,2D + 1,6L
C3:1,2D + (0,5L ó 0,8W)
C4:1,2D + 1,3W
C5: 1,2D +/- 1E + 0,5L
C6: 0,9D +/- (1,3W ó 1,0E)
Parámetros de sitio:
Huancayo está situado en la zona 2 (Z=0,3). Tipo de suelo S2 (S=1,2; Tp=0,6) Factor de amplificación sísmica: C=2,5(Tp/T); C <=2,5.
Requisitos generales:
Categoría de la edificación: considerando edificación importante (U=1,3).
Considerando arriostre tipo X en el eje “Y” (R=6).
Considerando pórticos dúctiles en el eje “X” (R=9,5)
Determinación del espectro de aceleración en las direcciones “x” e “y
DIRECCIÓN “Y”
DIRECCIÓN “X”
C=2,5(Tp/T);C<=2,5
Sa=(ZUCS/R) R=9,5 C
T
Sa
2.5 2.5 2.5 2.5 2.1 1.9 1.7 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.9 0.8 0.8 0.8
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
1.61 1.61 1.61 1.61 1.38 1.21 1.07 0.97 0.88 0.81 0.74 0.69 0.64 0.60 0.57 0.54 0.51 0.48
C=2,5(Tp/T); C<=2,5
Sa=(ZUCS/R)g R=6 T Sa C 2.5 0.3 2.6 2.5 0.4 2.6 2.5 0.5 2.6 2.5 0.6 2.6 2.1 0.7 2.2 1.9 0.8 1.9 1.7 0.9 1.7 1.5 1.0 1.5 1.4 1.1 1.4 1.3 1.2 1.3 1.2 1.3 1.2 1.1 1.4 1.1 1.0 1.5 1.0 0.9 1.6 1.0 0.9 1.7 0.9 0.8 1.8 0.9 0.8 1.9 0.8 0.8 2.0 0.8
2.3.- ELEMENTOS DE SALIDA DEL DISEÑO En la tabla 2.3 A, se muestran todos los puntos del nivel Z = 9,5 m; nivel donde se encuentra instalado el puente grúa; Obteniendo valores menores a 0,004 que es lo mínimo permisible según el Euro código, que es la norma como referencia adoptada. Joint Text 3 8
13 18 23 28 33 38 43 48 53
OutputCase Text QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy
StepType X Y Text Mm mm 0.946 0.401374 Max 0.922 2.176582 Max 0.913 3.037784 Max 0.922 2.176583 Max Max 0.946 0.401373 Max 0.946 0.401374 Max 0.922 2.176583 Max 0.913 3.037784 Max 0.922 2.176582 Max 0.946 0.401373 Max 1.438 0.401541
DRIFTx Δh/ΔH 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0011
DRIFTy Δh/ΔH 0.0002 0.0010 0.0014 0.0010 0.0002 0.0002 0.0010 0.0014 0.0010 0.0002 0.0002
58 63 68 73 78 83 88 93 98 103 108 113 118 123 128 133 138 143 148 185 186
QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy
Max 1.748 0.401869 2.034 Max 0.402629 2.130 0.403723 Max Max 2.897 0.405904 Max 2.897 0.405904 Max 2.130 0.403723 Max 2.034 0.402629 Max 1.748 0.401869 Max 1.438 0.401541 Max 1.438 0.401541 Max 1.748 0.401869 2.034 0.402629 Max 2.130 0.403723 Max 2.897 0.405904 Max 2.897 0.405904 Max 2.130 0.403723 Max Max 2.034 0.402629 Max 1.748 0.401868 Max 1.438 0.401541 Max 5.090 0.407881 Max 5.090 0.407881 Tabla 2.3 A
0.0013 0.0015 0.0016 0.0022 0.0022 0.0016 0.0015 0.0013 0.0011 0.0011 0.0013 0.0015 0.0016 0.0022 0.0022 0.0016 0.0015 0.0013 0.0011 0.0038 0.0038
0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002
En la tabla 2.3 B, se muestran los elementos estructurales definidos por el sap2000; los cuales serán calculados para su verificación por el método LRFD según el manual del AISC TABLE: Material List 2 - By Section Property Section
Object Type
NumPieces
TotalLengt TotalWeigh
h Text
Text
Unitless
t
TM
W10X19
Vigas amarre de columnas 68
384.0
10.9283
WT4X9
Arriostre tipo X en techo y 192 paredes Columnas parte frontal 24
1407.4
18.7437
77.0
4.1331
96
520.8
35.0726
W16X77
Columnas parte lateral y techo Viga carrilera
22
132.0
15.1066
Puente
Viga principal del puente 1
20.0
5.3595
1188
6.534
W16X36 W16X45
C150x50x15x2,5 Correas techo
198 Tabla 2.3 B
De la tabla 2.3 B podemos obtener el metrado como peso total de los elementos estructurales de la nave y el peso de acero por m2 construido, siendo estos 96 TM y 70 Kg/m2 respectivamente, que estos pueden ser considerados como referencia para una proforma de construcción.
2.3.1.- Calculo de los elementos estructurales importantes que conforman la nave industrial.
Para la determinación de los elementos estructurales se consideraron los esfuerzos máximos en las diferentes situaciones del puente grúa, considerando para el cálculo los valores y situaciones más críticos; estos valores fueron obtenidos del análisis estructural con el sap2000
