MEMORIA DE CÁLCULO “ ANÁLISIS ANÁLISIS DE DE ELEMENTOS ELEMENTOS FINITOS DE DE LA GRÚA GRÚA
BYNSA B-2 DE 30 TONELADAS, CENTRAL TÉRMICA DE TOCOPILLA E-CL”
APROBACIÓN CLIENTE: FECHA:
Avda. Balmaceda 2472 Of. 201 Antofagasta. www.cad-cae.com
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FECHA
POR
REV.
APROB
A
18.08.2013 18.08.2013
N.T.F.
H.L.L.
H.L.L.
B
10.09.2013
N.T.F
H.L.L.
H.L.L.
DESCRIPCION Emitido para para Comentarios Comentarios del del cliente cliente Se agrega pluma, plumín y tirante.
Preparado por: Hernán Lobera López Ingeniero Civil Mecánico U.T.F.S.M – Valparaíso CAD CAE INGENIERIA LTDA. – AVDA. AVDA. BALMACEDA 2472 OFICINA OFICINA 121 - ANTOFAGASTA ANTOFAGASTA FONO (055) 2 263814 – FAX FAX 225726 – CELULAR CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com
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INDICE 1. INTRODUCCION 2. OBJETIVOS 3.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
4.
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO
4.1. ANTECEDENTES 4.2. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO 5.
CRITERIOS DE DISEÑO
6.
CALCULO MEDIANTE EL METODO DE ELEMENTOS FINITOS
6.1. Software utilizado para la modelación “SOLIDWORKS” y “COSMOS” 6.2. Tipo de Elemento Finito utilizado para la modelación 6.3. Esfuerzo de Von Mises 6.4. Cargas de diseño 6.5. Enmallado y restricciones 6.6. Resultados de la modelación 6.7. Resumen de los resultados 7.
ANÁLISIS DE FATIGA
8. CONCLUSIONES 9. ANEXOS 9.1. FACTOR DE SEGURIDAD 9.2. LICENCIA DEL SOTFWARE 9.3. PROPIEDAD DE LOS ACEROS
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1. INTRODUCCION E-CL posee una grúa de 30 toneladas tipo tipo level luffing para transferencia transferencia básicamente de gráneles sólidos en su muelle mecanizado ubicado en Tocopilla. La grúa fue diseñada y fabricada por la empresa española BYNSA en el año 1986 y comenzaron a operar en 1987, su utilización ha sido principalmente en descarga de carbón. Esta grúa han operado prácticamente prácticamente 26 años, presentando problemas de fisuras y fallas en la pluma y elementos de unión del pórtico, desde el cuarto año de su entrada en operación, las que han sido reparadas en diversas oportunidades, generándose sin embargo fallas reiteradas en algunos sectores y extensiones de los problemas a otros sectores. En 1996 la pluma de la grúa Nº1 colapso siendo reparada de acuerdo a proyecto desarrollado por la firma S y S Ingenieros Consultores, sin embargo en la actualidad esta grúa presenta nuevamente problemas estructurales debido a que las reparaciones implementadas no se ajustan exactamente al proyecto y al mal montaje de la pluma reparada. El 2003 la grúa fue reparada y reforzada, los componentes reparados fueron la pluma, el plumín y la torre del pórtico. La pluma se modificó, mejorando la geometría en el cambio de sección, para permitir una mejor distribución de las tensiones y aprovechando al máximo las partes sanas de la estructura. Esta modificación aumento el peso en e n 5.809 [Kg]. En la torre del del pórtico por su parte, se reforzó el manto de la estructura en base a planchas que fueron soldadas y que comprenderán los niveles de acceso a la columna y el nivel superior a este, especialmente en el sector de la puerta. La estructura aumento de peso en 1.169 [Kg]. El plumín se reforzó mediante planchas que se soldaran a esta estructura esta modificación aumento el peso en 424 [Kg]. En vista de lo anterior, E-CL ha decidido efectuar un completo estudio y proyecto de evaluación del Pórtico de las grúa, debido al aumento de peso de la grúa, para lo cual ha sido necesario evaluar mediante un análisis de elementos finitos que determine el nivel de tensiones presentes en las estructura del Pórtico. El presente informe contiene el análisis de elementos finitos del Pórtico, debido a los aumentos de peso y de los resultados obtenidos, los cuales se entregan en forma detallada en anexo con las memorias de cálculo, además de las conclusiones y recomendaciones emanadas de dicho análisis.
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2. OBJETIVO El objetivo de este informe es entregar los resultados del análisis estructural, mediante el método de los elementos finitos de la grúa evaluando las tensiones de trabajo en relación a las tensiones admisibles y su nivel de fatigamiento. . 3.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Electroandina realizo un proyecto de reparación estructural de la grúa el año 2003, los componentes que se repararon y reforzaron son:
Refuerzo de Pluma
Refuerzo de Columna del Pórtico
Refuerzo del Plumín
Esta reparación involucro un aumento de peso de la grúa de 7.402 [Kg]. Luego de reparado la grúa entro en operación y durante los siguientes 10 años han aparecido fisuras en el pórtico. Es por esto que E-CL solicita un Análisis de Elementos Finitos con el objeto de evaluar el comportamiento estructural debido al aumento de peso de la grúa y poder diseñar el refuerzo de la zona inferior.
4. ANTECEDENTES 4.1. NORMAS A APLICAR
NCh 2369.Of2003 “Diseño Sísmico de Estructuras e Instalaciones Industriales”
Manual de Diseño AISC
“American Institute Steel Construction” -ASD89;
Método de Tensiones Admisibles
NCh 427cr.77 “Especificaciones para el Cálculo de Estructuras de Acero en Edificios”
NCh 1537.Of86 “Diseño Estructural de Edificios -Cargas Permanentes y Sobrecargas de Uso”
NCh 432.Of71 “Cálculo de la Acción del Viento sobre las Construcciones”
Propiedades de perfiles según Manual de Diseño Estructural ICHA 2008.
Levantamiento en terreno.
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4.2.- DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO La grúa corresponde al tipo luffing con capacidad de 750 TPH y están destinadas a la transferencia de gráneles sólidos utilizándose principalmente en la descarga de carbón. La estructura fija la componen elementos del pórtico “patas” y la columna. La estructura giratoria la componen la cabina de mando, la caseta de mecanismo y el sistema articulado de elevación, giro y alcance entre lo que se pueden mencionar la pluma, el plumín, el tirante, el castillete, el husillo, el balancín y la biela, ver el siguie nte esquema. Esta grúa posee una capacidad máxima de carga de 30 toneladas, un alcance máximo de 40 metros y un alcance mínimo de 8,7 metros. La elevación máxima es de 19 metros.
Figura 1: Esquema general de la grúa BYNSA CAD CAE INGENIERIA LTDA. – AVDA. BALMACEDA 2472 OFICINA 121 - ANTOFAGASTA FONO (055) 2 263814 – FAX 225726 – CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com
Tabla 1: Los pesos de los componentes según planos originales de fábrica y el aumento de peso Componente
Peso [Kg]
Plumín
17.918
Patas de Pórtico
14.363
Tirante
3.041
Balancín
14.726
Biela
1.828
Pluma
37.100
Castillete
40.628
Caseta
90.360
Viga Cabina
16.642
Contrapeso Móvil
32.800
Contrapeso Fijo
60.000
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5. CRITERIOS DE DISEÑOS 5.1 Materiales Las Propiedades mecánicas del Pórtico son los siguientes:
E: G:
Acero estructural A42-27ES y A52-34ES (Planchas)
Modulo de Young Modulo de elasticidad Transversal Coeficiente de Poison Coeficiente de dilatación
ν:
α:
19,5 * 1010 [N/m2] 81.000 [MPa] 0,3 1,2 * 10-5 [1/ºC]
5.2. Esfuerzos admisibles Frente a las Los esfuerzos y deformaciones que no deben sobrepasar los valores admisibles de los aceros de la estructura; es decir:
Factor de seguridad F.S.=1.5 (Anexo 7.3) Material A 42-27 ES σ máx. ≤ σ adm = σ fluencia / F.S. = 265/1.5 = 176 [MPa]
σ máx. σ adm σ fluencia F.S.
: Esfuerzo máximo calculado : Esfuerzo admisible de diseño = 176 [MPa] : Esfuerzo de fluencia acero A 42-27 ES = 265 [MPa] : Factor de seguridad
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5.2. Esfuerzos admisibles Frente a las Los esfuerzos y deformaciones que no deben sobrepasar los valores admisibles de los aceros de la estructura; es decir:
Factor de seguridad F.S.=1.5 (Anexo 7.3) Material A 52-34 ES σ máx. ≤ σ adm = σ fluencia / F.S. = 324/1.5 = 216 [MPa]
σ máx. σ adm σ fluencia F.S.
5.3.
: Esfuerzo máximo calculado : Esfuerzo admisible de diseño = 216 [MPa] : Esfuerzo de fluencia acero A 52-34 ES = 324 [MPa] : Factor de seguridad
Deformaciones Admisibles Verticales (Condición de Servicio)
En el diseño de elementos resistentes, debido a las cargas solicitantes, se usarán los siguientes límites de deformación en función de la luz del elemento Crane L/500 =40.000/500 CAD CAE INGENIERIA LTDA. – AVDA. BALMACEDA 2472 OFICINA 121 - ANTOFAGASTA FONO (055) 2 263814 – FAX 225726 – CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com
6. CALCULO MEDIANTE EL METODO DE ELEMENTOS FINITOS 6.1. Software utilizado para la modelación “SOLIDWORKS” y “ ANSYS 14.5” Solidworks : Es una aplicación de automatización de diseño mecánico que utiliza la interfaz de usuario grafica de Microsoft Windows, entregando como resultados planos mecánicos y simulaciones de movimientos en 3D. Esta aplicación hace posible que los diseñadores dibujen con rapidez sus ideas experimenten con las operaciones y cotas, produzcan modelos y dibujos detallados. Una de las variadas herramientas que entregan son : centro de gravedad, momentos de inercia y pesos de los componentes. Su principal función en este estudio es de realizar el modelo en 3d. Análisis de Elementos Finitos (FEA) : El método de los Elementos Finitos permite resolver por métodos matemáticos tradicionales gradientes de esfuerzos, desplazamientos, temperatura, flujo de fluidos, problemas visco elásticos y campo electromagnéticos. El concepto de FEA es la división de un continuo en un conjunto de pequeños elementos interconectados por una serie de puntos llamados nodos. Las ecuaciones diferenciales que rigen el comportamiento del continuo regirán también para el elemento finito. Las condiciones de contorno del continuo son las variables iniciales que se requiere para resolver las ecuaciones tales como campos de fuerzas, presiones, torques, aceleración de gravedad y temperatura El programa utilizado para la modelación FEA fue ANSYS 14.5 , que es uno de los programas FEA. Dispone de capacidades de : a) poseer un entorno más refinado b) permiten trabajar con programas CAD estándar para modelar la geometría, c) La versión ANSYS, está preparada para su utilización con el programa CAD SolidWorks de modelado tridimensional. d) Permite crear modelos que tienen un elevado Nº de elementos finitos, el cual evita la simplificación de modelos.
6.2. Tipo de Elemento Finito utilizado para la modelación El tipo de elemento utilizado para la modelación fue el tipo sólido brick .Los elementos sólidos flexibles 3-D se utilizan para simular el comportamiento de sólidos. La ventaja de utilizar este tipo de elemento es la representación más exacta a la realidad ya que considera todas las piezas del modelo. Los tipos de elementos finitos utilizados se muestran en la figura 6.
Figura 2: Tipo de Elemento Finito utilizado para la modelación, elemento Shell y solido CAD CAE INGENIERIA LTDA. – AVDA. BALMACEDA 2472 OFICINA 121 - ANTOFAGASTA FONO (055) 2 263814 – FAX 225726 – CELULAR 9 9190294 - www.cad-cae.com
6.3. Esfuerzo de Von Mises Existen cuatro Teorías sobre la falla o ruptura. a) Von Mises b) Tresca c) Mohr y d) Máximo Normal. Los resultados experimentales indican que, de todas estas teorías sobre la ruptura, en los materiales dúctiles la que da resultados más adaptados a la realidad es la teoría de distorsión máxima de Von Mises. .Este criterio puede considerarse un refinamiento del criterio de Tresca. El criterio de la máxima energía de distorsión fue formulado primeramente por Maxwell en 1865 y más tarde también mencionado por Huber (1904). Sin embargo, fue con el trabajo de Richard Edler von Mises (1913) que el criterio alcanzó notoriedad, a veces se conoce a esta teoría de fallo elástico basada en la tensión de Von Mises como teoría de Maxwell-Huber -Hencky-von Mises. La expresión propuesta por Von Mises y H. Hencky, de acuerdo con este criterio una pieza resistente o elemento estructural falla cuando en alguno de sus puntos la energía de distorsión por unidad de volumen rebasa un cierto umbral:
En términos de tensiones este criterio puede escribirse sencillamente en términos de la llamada tensión de von Mises como:
Donde: , son las tensiones principales de en el punto considerado. En consecuencia se prevé que ocurrirá la fluencia cuando VM ≥ fluencia acero (criterio de diseño)
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6.4.1. Cargas Sísmicas (S) Los efectos sísmicos en la estructura se analizan de acuerdo al método estático dado por norma NCh 2369 of.2003. Los parámetros necesarios para determinar las solicitaciones sísmicas se entregan a continuación. Se realiza el análisis sísmico mediante coeficientes sísmicos horizontales. El esfuerzo de corte horizontal en la base es: Qo = C* I* P C: I: P:
Coeficiente sísmico Coeficiente de importancia Peso sísmico
El coeficiente sísmico se determina por: P = Peso Propio + 0.25 Sobrecarga n
C
Dónde:
2,75 A0 T ' 0,05
gR
* T
0, 4
Zona sísmica:
3
Tipo de suelo (supuesto):
III
Aceleración efectiva (según zona sísmica):
0.4 g
T’ (dependiente del tipo de suelo):
0.62 seg.
n (dependiente del tipo de suelo):
1.8
(razón de amortiguamiento):
0.03
R (factor de modificación de respuesta):
5
I (coeficiente de importancia):
1 (C2: obras normales)
Coeficiente sísmico máximo, C MAX=0,25 (El que se utilizó)
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La solicitación sísmica se representa en el modelo en ANSYS en forma estática ingresando el coeficiente sísmico, luego el software aplica este coeficiente a la estructura distribuyéndolo en altura de acuerdo a las rigideces relativas de sus nodos.
6.4.5. Viento Se consideró una carga de viento de 90 kg/m2 aplicado a la estructura, donde el Angulo de inclinación del techo corresponde a 6.92°.
6.4.6. Combinaciones de Carga y cargas a aplicar Al no considerar las cargas SO y SA descritas en NCh2369.Of.2003 por no ser aplicables a esta estructura las combinaciones adoptadas son las siguientes: COMB1 : PP + SC COMB2 : PP + SC + SISMO X COMB3 : PP + SC + SISMO Y COMB4 : PP + SISMO X COMB5 : PP + SISMO Y
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6.4. CARGAS DE DISEÑO 6.4.1. Peso Propio (PP) Caso 1: Peso del equipo
Son consideradas todas aquellas cargas debidas al peso propio gravitacional de los elementos que componen la grúa.
Peso Total del equipo Peso propio Pórtico (4 Patas) Peso propio Columna del Pórtico Carga sobre la columna FG
517.850 52.776 29.526 442.950
+ 7.402 = 525.252 [Kg] [Kg] [Kg] [Kg] = 4.340.910 [N]
Caso 2: Máximo alcance cuchara cargada.
FG=346 Tm
MG= 1002 Tm*m
F*G=442 Tm
M*G=1646 Tm*m
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Caso 3: Máximo alcance cuchara en vacío.
FG=329 Tm
MG=299.6 Tm*m
F*G=406 Tm
M*G=550 Tm*m
Caso 4: Máximo alcance gancho en vacío.
FG=316 Tm F*G=386 Tm
MG= -230.5 Tm*m M*G= -277.11 Tm*m
Caso 5: Mínimo alcance cuchara cargada.
FG=346 Tm F*G=433 Tm
MG= -785 Tm*m M*G= -833.5 Tm*m
Caso 6: Mínimo alcance cuchara en vacío.
FG=329 Tm F*G=406 Tm
Mg= - 957 Tm*m M*g= - 1101.5 Tm*m
Caso 7: Mínimo alcance gancho en vacío
FG=316 Tm
MG= - 1086.5 Tm*m
F*G=386 Tm
M*G= - 1303.8 Tm*m
Nota: dos valores con * son valores mejorados según normas FEM es decir:
FG= SG + SL
Donde:
Fg= M (SG + ψSL)
SG= Peso Propio SL= Carga M= 1,2 Ψ=1,3
Caso 2 el más desfavorable.
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