Memoria De Cálculo De Asas Para Izaje: Obra

MEMORIA DE CÁLCULO DE ASAS ASAS PARA P ARA IZAJE

OBRA: CLIENTE: CÓDIGO: Edición: 01

REVISIÓN Y APROBACIÓN DE LA VERSIÓN VIGENTE Nombres y Apellidos : Cargo: Fecha : Nombres y Apellidos : Cargo: Fecha :

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INFORME TECNICO Fecha:

PROYECTO: ASUNTO:

INDICE 1. INTRODUCCION .............................................................................................................2 2. OBJETIVO .......................................................................................................................2 3. ALCANCE........................................................................................................................2 4. INFORMACION EXISTENTE ..........................................................................................3 5. NORMAS Y CODIGOS ...................................................................................................4 6. CONDICIONES DE CARGA EXISTENTES ....................................................................4 6.1.

CONDICIONES DE CARGA .................................................................................................................... 5

6.2.

COMPUTO DE CARGAS APLICADAS ..................................................................................................... 5

7. ANALISIS Y VERIFICACIONES DE ESTADOS LIMITE .................................................6 7.1.

COMBINACIONES DE CARGA ............................................................................................................... 6

7.2.

CONSIDERACIONES DE LA NORMA ASME BTH-1-2011 ....................................................................... 7

7.2.1.

CATEGORIA DE DISEÑO Y SERVICIO DE CLASE............................................................................. 7

7.2.2.

FACTOR DE DISEÑO NOMINAL .................................................................................................... 9

7.2.3.

FALLA POR ESFUERZO AXIAL EN TRACCIÓN ................................................................................ 9

7.2.4.

FALLA POR FATIGA....................................................................................................................... 9

7.2.5.

FALLA POR APLASTAMIENTO ENTRE PASADOR Y GANCHO ...................................................... 10

7.2.6.

FALLA EN SOLDADURA............................................................................................................... 11

8. VERIFICACION ESTRUCTURAL .................................................................................. 11 9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES FINALES ................................................. 15

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INFORME TECNICO PROYECTO:

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ASUNTO:

1. INTRODUCCION Este documento presenta la memoria de cálculo de la verificación estructural de las asas para izaje de la Central de Inyección, las cuales serán utilizadas en el proyecto. Se describirán los códigos y normas utilizadas, así como la geometría, condiciones de servicio y las solicitaciones de carga de acuerdo a norma. Una vez descritos los parámetros y cargas consideradas, se presentarán los cálculos de verificación, las conclusiones y consideraciones finales.

2. OBJETIVO La presente memoria de cálculo tiene como objetivo verificar el comportamiento estructural de las asas o soportes para izaje de este equipo, una vez que estarán siendo transportados de forma continua, por lo cual se hace necesario asegurar que los riesgos ante posibles fallas de los elementos de soporte en la operación de izado de los equipos sean minimizados.

3. ALCANCE La verificación estructural de las asas de izaje se realiza utilizando el método ASD (Allowable Stress Design), los esfuerzos admisibles y rangos de esfuerzos definidos en la Guía ASME BTH-1-2011 “Design of Below-the-Hook Lifting Devices” (Diseño de dispositivos debajo el gancho de izaje) emitido por el American Society of Mechanical Engineers se encuentran basados en los modelos utilizados en el análisis clásico de Resistencia de materiales, guía utilizada para la confección de esta memoria. Finalmente, es importante anotar se realiza una verificación del diseño a fatiga de estos elementos considerando la categoría de diseño, categoría de esfuerzos, vida esperada y servicio de clase indicados en esta norma.


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4. INFORMACION EXISTENTE De acuerdo a la información recibida de obra se detallan medidas, pesos y materiales con que se encuentran realizadas estas asas o soportes, y que paso a continuación a detallar. La Central de Inyección HANY está compuesta por una bomba de inyección ZMP 710, Agitadora HRW 350/800E, Turbomezcladora HCM 300/600E, cuenta con dimensiones en su base de 2.05m de ancho y 1.80m de largo, el peso total de todos sus componentes es de 760 kg. Por configuración del equipo cuenta con orejas o asas de izar para cada elemento independiente, así mismo cuenta con un asa para todo el conjunto ubicada en el centro de la plataforma base, la cual comprende de una barra de acero ASTM A36 de 5/8” soldada en sus extremos a un perfil tubular de 80x100 mm, el cual a su vez es conectada a la plataforma base por medio de una placa de apoyo de 150x150mm con 4 pernos M16 ASTM A574 de 1” de longitud, las dimensiones del asa y pernos se muestran en la figura 2.

Figura 1.- Equipo Central de Inyección HANY


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Figura 2.- Dimensiones del asa y pernos de fijación en la b ase del equipo.

5. NORMAS Y CODIGOS Se han utilizado las siguientes Normas que se especifican. -Norma Técnica de Cargas E-020 del RNE. -Norma Técnica de Diseño Sismorresistente E-030-2016 del RNE. -Norma Técnica de Estructuras metálicas E-090 del RNE -ASME BTH-1-2011 “Design of Below-the-Hook Lifting Devices” of American Society Mechanical Engineers.

6. CONDICIONES DE CARGA EXISTENTES En este capítulo de presentan y describen las cargas existentes referentes a las condiciones de ubicación e importancia de la estructura, además se presentan los estados y combinaciones de cargas sin amplificar estudiadas de acuerdo a la Norma E-090.


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6.1. CONDICIONES DE CARGA Las solicitaciones por cargas externas son descritas como siguen: Carga Muerta (D).- La carga muerta refiere a todas las cargas provenientes del peso propio que sostiene el asa, por tanto es una carga fija. Carga Impacto (I).- Según nuestra Norma de Cargas E-020, las cargas de impacto se consideran como carga viva, considerando un % del peso propio para las cargas de izaje. En nuestro caso las cargas de impacto en el sentido de la gravedad se estima en 20% de la carga muerta Carga de Viento (W).- Las cargas de viento, son generadas por las presiones y succiones del viento sobre el elemento, que en nuestro caso al tener equipos compactos y pocos voluminosos se desprecian dichos efectos. Carga Sísmica (EQzz).- La carga por sismo refiere a las cargas adicionales provenientes del evento sísmico, en nuestro caso se contempla sismo en el sentido mas desfavorable, sentido de la gravedad (descendente).

6.2. COMPUTO DE CARGAS APLICADAS Una vez que es la barra o gancho reparte la carga del equipo en sus dos extremos, de acuerdo a la geometria de la base y de los elementos de izado se tiene: =

0.76  2

= 0.38 

Se realiza el cálculo de las cargas de impacto y cargas por sismo en el sentido de la gravedad siguiendo la Norma Peruana. Las cargas de Impacto será:  = 0.20  (0.380 ) = 0.076 

Las cargas por sismo vertical, según lo estipulado en la Norma Sismorresistente E-030, la fuerza sísmica vertical se considerará como una fracción del peso igual a 2/3 Z.U.S. Por tanto, la fracción del peso a considerar será:


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 =

2  3



Donde: Z :

Factor de Zona, Z = 0.35 (Zona 3, Localidad Huari)

U :

Factor de Uso, U = 1.0

S:

Factor de Suelo, S2 = 1.2 (Suelos Intermedios)

P :

Peso de la Estructura

(Categoría C)

Entonces, la fuerza vertical por sismo a considerar será:  =

2  0.35  1.2 3

0.38 = 0. 106 

7. ANALISIS Y VERIFICACIONES DE ESTADOS LIMITE 7.1. COMBINACIONES DE CARGA Las combinaciones y factores de carga consideradas son las indicadas en la Norma E090 de Estructuras Metálicas. Tabla 1.- Combinaciones y factores de Carga. (Fuente: Norma E-090 Estructuras metálicas – Método LRFD)


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Para la aplicación del método ASD (Allowable Stress Design) las cargas se combinarán con factores iguales a 1.0, la solicitación sísmica se debe considerar dividida entre 1.4 y no se deberá considerarse que el viento y sismo actúan simultáneamente. De acuerdo a lo indicado, las combinaciones de cargas a tomar en cuenta serán: Resistencia:

Servicio:

U1:

1.4 D

U2:

1.2 D + 1.6 L

U3:

1.2 D + EQ + 0.5 L

S1:

D+L

S2:

D + EQ/1.4 + L

Entonces, las cargas en servicio (sin amplificar) serán: Combinación en Servicio S1:  = 0.38 + 0.076 = 0.46 

Combinación en Servicio S2:  = 0.38 + 0.106/1.4 + 0.076 = 0.53 

7.2. CONSIDERACIONES DE LA NORMA ASME BTH-1-2011 En esta Norma se contemplan todos los tipos de asas o soporte por izaje para su diseño con todas las posibilidades de falla local o global, y cada uno son diseñados de acuerdo a la Categoría de Diseño y Clase de servicio, conceptos que se encuentran relacionados con el modo de falla, análisis de fatiga, variaciones de cargas y precisión de las condiciones ambientales.

7.2.1. CATEGORIA DE DISEÑO Y SERVICIO DE CLASE En el Capitulo 2 de esta Norma se aborda la Clasificación de elevadores, en él se menciona que existen 02 categorías de diseño A y B, la Categoría A abarcan a todas aquellas cuando la magnitud y variación de cargas aplicadas en el soporte o asa es predicible, y donde las condiciones ambientales y de carga se definen con precisión o no son severas. Y la Categoría B donde la magnitud y variación de cargas aplicadas en el


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gancho no son predecibles, y donde las condiciones ambientales y de carga son severas o no se definen con precisión. En el árticulo 2-3 Servicio de Clase, la Clase de servicio debería ser determinada por la Tabla 2-1 basada en la vida de fatiga especificada (Ciclos de carga). La Clase de servicio seleccionada establece rango de valores de esfuerzos admisibles en miembros estructurales y parámetros de diseño por fatiga para los componentes mecánicos.

Figura 3 – Tabla de valores de Clase de Servicio y Vida de Clase de Servicio (Fuente: Norma ASME BTH-1-2011).

Dicho esto, se establece que para nuestro caso con las cargas definidas estamos en una Categoría de Diseño A, considerando además que el uso de los ganchos o asas por día será de 5 ciclos con una vida de Clase de servicio de 20 años, entonces de la Tabla C2-1 (Ver fig. 3) vemos que la

Clase de Servicio será “ 1”.


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7.2.2. FACTOR DE DISEÑO NOMINAL El mínimo Factor de diseño nominal

“Nd” en

las ecuaciones de esfuerzos admisibles

deberián ser 2.0 para ganchos elevadores con Categoría de diseño A y 3.0 para Categoría B. Los esfuerzos admisibles para las condiciones de diseño no mencionadas en este documento se basarán en los siguientes factores de diseño, los factores de diseño para la Categoría de diseño A en ganchos elevadores no deberán ser menor a 2.0 para los estados límites de deformación o pandeo, y 2.4 para el estado límite de fractura y diseño de la conexión.

7.2.3. FALLA POR ESFUERZO AXIAL EN TRACCIÓN La falla por esfuerzos axiales por tracción se dara cuando se exceda el esfuerzo admisible a la tracción en el area del elemento. No debe exceder el valor de Ft1 cuando se calcule el esfuerzo en el area total, ni tampoco el valor Ft2 cuando se calcule el esfuerzo en el area neta.  =

 =

  

1.20 

Donde: Ft1:

Esfuerzo a la tracción para el area total.

Ft2 :

Esfuerzo a la tracción para el area neta.

Fy :

Esfuerzo minimo ultimo a la tracción.

Fu:

Esfuerzo a la fluencia minimo especificado.

7.2.4. FALLA POR FATIGA La falla por fatiga puede desencadenarse debido a algunas de las siguientes causas: -Presencia de irregularidades o discontinuidades internas. -Irregularidades originadas en los propios procesos de mecanización de las piezas.


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-Tipo de geometría de la pieza, esta influirá en la velocidad de propagación de la fisura. -La influencia del medio: Fatiga térmica y fatiga por corrosión. Los extremos de la fisura suponen puntos de concentración de tensiones y amplifican el efecto de la actuación de cargas tipo ciclícas o variables. Las cargas cíclicas originan un estado tensional interior que hará progresar a la grieta por sus extremos, aumentando progresivamente hasta que se produzca su rotura repentina. Pese a ello, no se requiere que se originen niveles elevados de tensiones para que se produzca una rotura por fati ga, por lo que estas se diseñan para que sean muy inferiores al límite de fluencia del acero. De acuerdo al artículo 3-3.3.3 de esta Norma para este tipo de soportes o asas conexiones fijadas, la Categoría de esfuerzo es “E”, extraído de la tabla 3-5. Con los datos, Servicio de Clase “1”, y Categoría de esfuerzo “E” encontramos los máximos esfuerzos permibles para un diseño por fatiga de la tabla 3-4, que será 22 ksi (150Mpa).

Figura 4 – Rangos de esfuerzos permisibles para diseño por fatiga (Fuente: Norma ASME BTH-1-2011).

7.2.5. FALLA POR APLASTAMIENTO ENTRE PASADOR Y GANCHO Los esfuerzos por aplastamiento entre el pasador y la placa, basada en el área proyectada del pasador, no deberá exceder el valor dado en la ecuación 11, donde Fy es el


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límite elástico del pasador o placa, el que sea menor. La tensión del cojinete entre el pasador y la placa en las conexiones que rotarán bajo carga durante un gran número de ciclos ( Clase de servicio 1 o superior) no deberá exceder el valor dado por la ecuación 12.  =

 =

1.25   0.63  

… ó 11

… ó 12

Donde,  es el esfuerzo admisible por aplastamiento.

7.2.6. FALLA EN SOLDADURA Las soldaduras cargadas paralelas al eje de la soldadura deberan ser diseñadas a fuerzas por corte. Las soldaduras cargadas perpendiculares al eje de la soldadura deben diseñarse para fuerzas de tensión o compresión. La resistencia de las soldaduraas se rige por el material base o el material de soldadura depositado. La resistencia de diseño de las soldaduras sujetas a corte será igual al área efectiva de la soldadura multiplicada por el esfuerzo admisible Fv dada por la ecuación 13.  =

0.60  1.20 

… ó 13

Donde: Exx :

Resistencia a la tensión nominal del metal de soldadura, ksi.

8. VERIFICACION ESTRUCTURAL De acuerdo a la Norma ASME BTH-1-2011 se utilizará el método ASD (Esfuerzos admisibles), por lo que tomaremos el valor de 0.53 ton como carga máxima de izaje en tensión para las verificaciones del asa, considerando un valor del Nd conservador igual a 2.40.


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8.1. Verificación por Esfuerzo Axial en Tracción Debemos verificar que los esfuerzos por tracción no excedan los esfuerzos admisible tanto para el area total y para el area neta de la sección del elemento. En este caso la sección total y neta son iguales ya que no se tiene orificios ni cambios en la sección. Entonces se tiene: La barra de acero ASTM A-36 tiene como propiedades: Fy=36ksi (250MPa), Fu=58ksi (400MPa), y un área de sección transversal Ag=An=1.98 cm2.  =

 =

 

=

 1.20 × 

250 2.4 =

= 104.17

400 1.20 × 2.40

= 138.89

Tomando el menor, obtenemos la maxima carga admisible a la tracción:  =  ×  = 104.17 × 1.98 = 20.63 = 2.10   = 0.53 < 2.10 … !

Por tanto, el FS respecto a la resistencia de fluencia, será:  =

2.10 × 2.4 0.532

= 9.47 > 5.0 → !

8.2. Verificación por Fatiga Debemos verificar que los esfuerzos por tracción deben ser menores a 150 MPa para una Categoría Tipo A y Clase de servicio “1”, límite de fatiga para esta Categoría.  =

5309.81 198

= 26.36  < 150 … !

Por tanto, el FS respecto a la resistencia a la fat iga, será:  =

150 26.36

= 5.69 > 5.0 → !


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8.3. Verificación por aplastamiento entre pasador y barra Realizando verificación en servicio bajo carga durante un gran número de ciclos (Clase de servicio 1), en el zona de contacto del pasador y la barra la carga se unifica de ambos extremos, lo que implica una carga de 2x0.53ton=1.06ton por aplastamiento, considerando en forma conservadora como área proyectada de 10x35mm para la ecuación 12.  =

0.63  250 2.4

10  35 = 22968.75  (2.34 )

 = 1.06  < 2.34 → !

Por tanto, el FS respecto a la resistencia a la fat iga por aplastamiento, será:  =

2.34  2.4 1.06

= 5.28 > 5.0 → !

8.4. Verificación de soldadura de unión de asa Verifiquemos la soldadura acanalada de penetración total en la unión de la barra con el mástil de sección tubular de la base del equipo, está soldadura se encuentra paralela a la línea de acción, por tanto tendremos que verificar la soldadura por corte. La resistencia de diseño de la soldadura sujeta a cortante debe ser igual al área efectiva de la soldadura multiplicada por el esfuerzo admisible Fv dada por la siguiente ecuación  =

 =

0.60  1.20 

0.60   1.20 

 = 0.707  

Donde: R s

Fuerza actuante por corte en la soldadura, 0.53 ton (1.17 Kips)

E xx,

Esfuerzo de rotura de la soldadura E70xx, igual a 70 Ksi

t e,

Espesor efectivo, en f orma conservadora tomaremos (5/16" = 0.3125")

l,

Longitud de la soldadura acanalada a penetración total, 2 × 90 (7.2")


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Verificación para el material base.  =

0.60 × 36 2.40

(0.3125 × 7.2) = 20.25 

 = 20.25  = 9.18   = 0.53   = 0.53  < 9.18 → !

Verificación para la soldadura.  =

0.60 × 70 1.20 × 2.40

(0.3125 × 7.2 × 0.707) = 27.84 

 = 23.20  = 10.4   = 0.53   = 0.53  < 10.43 → !

Por tanto, el FS respecto a la resistencia nominal de rotura, será:  =

9.18 0.532

= 17.26 > 5.0 → !

Concluimos que el FS respecto a la rotura es de 5.28, mayor al valor 5.0 recomendado, y este es controlado por el diseño de fatiga por aplastamiento entre pasador y barra.


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ASUNTO:

9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES FINALES Se realizan las siguientes conclusiones y recomendaciones finales. -

De acuerdo a los cálculos realizados la carga por el izado del equipo Central de Inyección HANY por el método ASD en cada extremo de la barra o asa es de 0.532 ton, contemplando consideraciones de sismo vertical ascendente de acuerdo a la Norma Peruana.

-

Los FS de las fallas estudiadas en todos los casos es mayor a 5.0, considerándose adecuado el dimensionamiento del asa para las cargas estudiadas de acuerdo a la Norma ASME BTH-1-2011 (American Society Mechanical Engineers).

-

El menor valor del FS es de 5.28 y es controlado por la falla de fatiga por aplastamiento entre el pasador y la barra (asa).

-

Los mayores FS se muestran en el análisis de falla en las conexiones soldadas, que para este caso se encuentran esforzadas a corte, siendo suficiente una soldadura de espesor efectivo de 5/16” y electrodo E70XX.

-

Es necesario aclarar que en las maniobras de izado del equipo debe realizarse en forma lenta y constante para tratar de no incorporar cargas no cuantificadas en el diseño, a pesar de tener factores honorosos como se ha verificado.

-

Las cargas y combinaciones estudiadas corresponden a las cargas mínimas de acuerdo a la Norma Peruana, por lo que toda carga mayor será absorbido por los FS, sin embargo en forma excepcional podrían incorporarse aún mayores cargas, por lo que se deberá seguir las recomendaciones de seguridad en forma estricta según el procedimiento de izado de los equipos.


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