Memoria de Pontón

“Mejoramiento, Ampliación Sistema de Agua Potable,

Saneamiento y Tratamiento de Aguas Servidas de la – Loreto” Ciudad de Nauta, Provincia de Loreto – Loreto”

MEMORIA DE CÁLCULO

MEMORIA DE CÁLCULO ESTRUCTURAL

PROYECTO

: “MEJORAMIENTO, AMPLIACIÓN SISTEMA DE AGUA POTABLE, SANEAMIENTO Y TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS DE LA CIUDAD DE NAUTA, PROVINCIA DE LORETO – LORETO – LORETO”

CLIENTE

: MUNICIPALIDAD PROVINCIAL DE LORETO

MEMORIA

: MEMORIA DE CÁLCULO DE BALSA FLOTANTE

CONSULTORIA

: CONSORCIO AMAZONAS

JULIO-2017

Memoria de Cálculo de Balsa Flotante

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MEMORIA DE CÁLCULO

CONTENIDO 1. GENERALIDADES -

Objetivo

-

Descripción de la estructura a instalar

-

Normatividad

2. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN -

Análisis de Desplazamiento

-

Verificación de esfuerzos

3. CARACTERÍSTICAS DE LA ESTRUCTURA -

Característica de los materiales.

4. ESTADOS DE CARGAS -

Cargas permanentes

-

Cargas de servicio o sobrecargas de uso

-

Cargas eventuales o sobrecargas eventuales

5.FUNDAMENTOS TÉCNICOS DE LA BALSA FLOTANTE -

Área necesaria para la balsa flotante

-

Cálculo de Desplazamiento

6. ANALISIS Y DISEÑO DE LA BALSA FLOTANTE 6.1. Diseño Estructural 6.2. Análisis por el método de elementos finitos 6.3. Geometría de la Balsa Flotante y la Cobertura Metálica 6.4. Estructuración 6.5. Estados de Cargas 6.6. Combinaciones de Cargas 6.7. Condiciones de Contorno 6.8. Verificación de Estructuras Metálicas 6.9. Control de Desplazamientos Laterales 6.10. Análisis 6.11. Análisis Estructural de las planchas 6.12. Diseño de los Elementos de Acero 7. CLONCLUSIONES


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MEMORIA DE CÁLCULO

1. GENERALIDADES OBJETIVO El objetivo general de esta memoria de cálculo es proponer un diseño para la estructura de acero de la balsa flotante y dimensionar los elementos que componen la estructura. Los objetivos específicos de esta memoria de cálculo son: Determinar las solicitaciones a las que se verá sometida la estructura durante su vida útil, según las disposiciones legales vigentes en el país. Dimensionar los elementos estructurales de acero para soportar las solicitaciones descritas en el punto anterior.

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO El proyecto es un Mejoramiento y Ampliación del Sistema de Agua Potable, Saneamiento y Tratamiento de Aguas Servidas de la ciudad de Nauta, dicho proyecto consta de una captación con balsa flotante, línea de impulsión, cisterna, PTAP, otros. En la presente memoria de cálculo se desarrollará el diseño y cálculo de una balsa flotante. La balsa flotante se encuentra ubicado a 30m de la ribera del río Marañón, donde se captará el agua cruda. La balsa flotante a su vez está conectado a dos anclas que llegan al fondo del río para controlar los desplazamientos de la balsa debido a las corrientes del río. Además de dichas anclas, la balsa flotante está conectado a dos cables de acero sujeto en sus extremos a pilotes de concreto proyectados, para regular la posición del mismo a fin de evitar ser arrastrado o movido por la fuerza de la corriente del río o por el acoderamiento de las embarcaciones.

NORMATIVIDAD En esta memoria de cálculo se aplicó el marco normativo que se detalla a continuación:

o

RNE 2009, NTE E020 CARGAS.

o

RNE 2016, NTE E030 DISEÑO SISMORRESISTENTE

o

RNE 2009, NTE E090 ESTRUCTURAS METÁLICAS.

o

ANSI/AISC 360-10 para construcciones de acero

o

UBC 1997 Uniform Building Code.

o

LRFD 1997

o

“ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units”, año 2012, parte 3: ”Hull construction and equipment”


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Saneamiento y Tratamiento de Aguas Servidas de la Ciudad de Nauta, Provincia de Loreto – Loreto”

MEMORIA DE CÁLCULO

2. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Análisis de desplazamientos: Se verificará los desplazamientos obtenidos en el programa



SAP2000 V19 tomando como referencia los establecidos en la Norma correspondiente.

Verificación de esfuerzos: Entre los parámetros que intervienen en la VERIFICACIÓN



ESTRUCTURAL se encuentran la resistencia al corte, flexión, carga axial en los perfiles de la cobertura.

3. CARACTERÍSTICAS DE LA ESTRUCTURA

Características de los materiales:

o

Acero estructural, ASTM A36

o

Perfiles Laminados ASTM A36

o

Ángulos Estructurales ASTM A36

4. ESTADOS DE CARGAS Para el diseño de la balsa se considerarán 3 tipos de cargas clasificadas según su ocurrencia durante la vida útil de la balsa. Estas son: 

Cargas permanentes: Corresponden al peso propio de la estructura, el peso elementos fijos.



Cargas de servicio o sobrecargas de uso: Corresponden al peso de las personas que operarán en la balsa y a cualquier instalación temporal de maquinaria de faena.



Cargas eventuales o sobrecargas eventuales: Corresponde a las solicitaciones que pudieran ejercer el viento, la presión hidrostática y las corrientes sobre la estructura. Se considerará las cargas extremas, es decir, la carga máxima a la que estará sometida la estructura, por cada tipo de carga antes especificada, pero se diseñará para el estado de combinaciones de carga más desfavorable. Este no es el escenario más desfavorable posible que resulta la sumatoria algebraica de todas las cargas extremas, sino que es la sumatoria de todas las cargas extremas multiplicados por un factor de acuerdo a la probabilidad estadística de que una o más cargas extremas tengan lugar en un mismo instante, como está establecido en la normativa vigente.


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MEMORIA DE CÁLCULO


Cargas Permanentes N°

Cargas Permanentes Carga Unitaria (kg)

Elemento

Und

Sub Total (kg)

1

Peso de Plancha de Acero Naval

12151.80

1

12151.80

2

Peso de Plataforma Estriada

7266.67

1

7266.67

3

Peso del reticulado Interno

6407.90

1

6407.90

4

Peso de bombas y motores

933.20

1

933.20

5

Peso de árbol de impulsión

6025.17

1

6025.17

6

Peso de sistema de alivio

1066.88

1

1066.88

7

Peso de Estructura de izaje

1717.40

1

1717.40

8

Peso armazón, mallas laterales y techo

6117.12

1

6117.12

9

Peso protección de succión de fondo

10

Contingencias

356.60

1

356.60

4204.27

1

4204.27

TOTAL (kg) TOTAL (Ton)

46247.01 46.25

La determinación de las cargas permanentes se detalla a continuación:

Peso de Plancha de Acero Naval (kg)

Peso plancha acero 5/16" Espesor Ancho Largo Area

= = = =

904.32 4.76 2.40 6.00

=

Planchas de Acero Naval 5/16"

=

14.40 62.80

= = = =

140.00 24.00 29.50 193.5

kg/plancha mm m m m2 kg/m2

Areas Parciales de la Balsa Flotante (m2) Abajo Lateral 1 Lateral 2 Área Total

= = =

14.00 m 10.00 m 1.20 m 20.00 m 14.75 m 2.00 m

m2 m2 m2 m2

Peso de Plancha de Acero Naval (kg)

12151.80

kg

Peso de Plancha de Acero Naval Estriada (kg)

Peso Plancha Acero Estriada 1/4" Espesor Ancho Largo Área

= = = = =

Planchas de Acero Naval Estriada 5/16"

=

Dimensiones

= =

15

x

10 Area

Peso de Plataforma Estriada (kg)


218 4.76 1.50 3.00 4.50

kg/plancha mm m m m2

48.44 kg/m2 150 150

m2 m2 7266.667

kg

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MEMORIA DE CÁLCULO


Peso del reticulado Interno 1.0 m

1m 10 m 15 m

Reticulado de sostén interno de Pontón

perfiles IPN 100

8.32 kg/ml

C ara superio r en una lo ngitud de C ara superio r en una lo ngitud de

10 m 15 m

c ada c ada

1 m so n: 1 m so n:

11. 0 ba rra s transversa s de 16. 0 ba rra s lo ngitudinales de

15 ml c/u son 10 ml c/u son

1373 kg 1331 kg

Cara inferior en una longitud de C ara inf erio r en una lo ngitud de

10 m 15 m

cada c ada

1 m son: 1 m so n:

11.0 barras transversas de 16. 0 ba rra s lo ngitudinales de

16.38 ml c/u son 10 ml c/u son

1499 kg 1331 kg

1 ml c/u son

874 kg

Laterales

105 barras verticales de

Peso total reticulado interno

Peso de bombas y motores Peso de la Bomba y motor Bomba y motor

6408

kg

233.3 kg 933.20 kg

4


Succión Reducción BB HD DN 300mm a 100mm Niple BB HD DN 300mm L=0.60m Unión Flexible Dresser DN 300mm Niple BB HD DN 300mm L=0.40m Válvula check BB-HD DN 300mm Válvula compuerta BB HD DN 300mm Niple BB HD DN 300mm L=0.20m Yee BB HD DN 300x300mm ramal de ingreso

141.33 32.00 41.05 37.00 26.25 350.00 213.00 13.46 147.00 1001.09

Cantidad de ramales

4004.36 kg

4

Niple BB HD DN 300mm L=2.75m Niple BB HD DN 300mm L=0.30m Válvula compuerta BB HD DN 300mm Niple BB HD DN 300mm L=0.30m Tee BB HD DN 300x300mm Niple BB HD DN 300mm L=1.50m Válvula compuerta BB HD DN 300mm Niple BB HD DN 300mm L=1.80m

Cantidad de ramales


2

185.08 18.84 213.00 18.84 116.00 67.30 213.00 178.35 1010.405

kg kg kg kg kg kg kg kg kg kg

kg kg kg kg kg kg kg kg kg

2020.81 kg

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MEMORIA DE CÁLCULO

Saneamiento y Tratamiento de Aguas Servidas de la Ciudad de Nauta, Provincia de Loreto – Loreto” Peso de sistema de alivio

Reducción BB HD DN 300mm a 100mm Válvula compuerta BB HD DN 200mm Válvula de alivio de presión BB HD DN 200mm Niple BB HD DN 200mm L=0.60m Unión Flexible Dresser DN 200mm Niple BB HD DN 200mm L=0.60m Codo 90° BB-HD DN 200mm

Cantidad de alivios

2

58.50 122.00 250.00 24.22 23.00 24.22 31.50 533.44

kg kg kg kg kg kg kg kg

1066.88

kg

Peso de Estructura de izaje Cable 5/16'' Peso de Cable 5/16'' por ml

0.3 kg 3.6 kg

12 m pesa Marcos perfil HEB N°200 Peso de Marcos perfil HEB N°200 por ml 13 1 marco pesa 2 marcos pesan

61.3 kg 796.9 kg 796.9 kg

m

1593.8 kg 20 kg 100 kg

Gancho, cadena y accesorios Otros

Peso armazón, mallas laterales y techo Columnas

Tubos verticales (ml) Peso de Columnas F°Gdo Ø 6” por ml Peso tubos verticales

16

2.63

m

42.08 m 28.26 kg/ml 1189.181 kg

8 4

2.66 2.96

m m

21.28 m 11.84 m

Travesaños

Travesaños lo largo Travesaños lo ancho Peso de T ravesaños F°Gdo Ø 2” por ml Peso tubos verticales


3.56 kg/ml 327.712 kg

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MEMORIA DE CÁLCULO

Saneamiento y Tratamiento de Aguas Servidas de la Ciudad de Nauta, Provincia de Loreto – Loreto” Cuadros de Perfil L 2"x2"x3/16"

Un cuadro frontal 2.65

2.65

1.50

8 cuadros frontales Un cuadro lateral 2.95

2.95

1.50 =

8.30

66.4 ml

1.50

1.50 =

4 cuadros laterales

8.90

35.6 ml

Longitud de cuadros de 2"x2"x3/16" (ml) Peso cuadro Perfil 2"x2"x3/16" por ml

102.00 ml 3.631 kg/ml

Peso cuadros

370.362

kg

Planchas

Peso plancha acero 1/8" Espesor Ancho Largo Area Planchas de Acero Naval 1/8"

= = = = = =

172.38 3.18 1.22 6.00 7.32 23.55

kg/plancha mm m m m2 2

k /m

Alto 1.50 m Largo 33.10 m Area plancha

49.65 m2

Peso plancha por m2

23.55 kg/m

2

Peso plancha

1169.217

kg

Techos Tijerales

Parciales de una mitad 5.35 5.2 Duplicado En

1.89 34.86

6

4.99 +

1.26

= =

Tijerales

17.43 36.12 216.7

Longitud de tijerales (ml) Peso de Tijerales tubo LAC ASTM A500 50x50x2.5mm por ml

216.72 ml 3.87 kg/ml

Peso tijerales

838.71


kg

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MEMORIA DE CÁLCULO

Vigas Longitud de la viga 13.2

= 13.20 En

2

Vigas

26.4 ml

Longitud de viga de 50x50x2.5mm (ml) Peso de viga tubo LAC ASTM A500 50x50x2.5mm por ml Peso de Vigas

26.40 3.87

ml kg/ml

102.17 kg

Cruz de San Andres

Longitud de los aceros 9.76 0.82

0.60

0.82

9.76 = 21.76

En

5

Cruz de San Andres

108.8 ml

Longitud de cruz de San Andres de Ø 5/8" (ml) Peso del acero de Ø 5/8" por ml

108.80 1.55

Peso Cruz de San Andres

168.64

ml kg/ml kg

Arriostres

Longitud de los aceros 5.91 5.91 = 11.82 En

8

Mas

Arriostres 94.56

Longitud del Arriostre de Ø 1" (ml) Peso del acero de Ø 1" por ml Peso Cruz de San Andres


94.56 ml +

22.44

=

117.0 117.00 ml 3.97 kg/ml 464.49

kg

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MEMORIA DE CÁLCULO

Saneamiento y Tratamiento de Aguas Servidas de la Ciudad de Nauta, Provincia de Loreto – Loreto” Correas

longitud de doble ángulo 15.30 15.30 En 20 correas Longitud del doble ángulo de 1"x1"x3/16" (ml) Peso del doble ángulo de 1"x1"x3/16" por ml

= 30.60 612 ml

longitud de varilla de 1/2" 15.30 En 20 correas Longitud de varilla de Ø 1/2" (ml) Peso de la varilla inferior de Ø 1/2" por ml

ml kg/ml

306.00 0.99

ml kg/ml

187.20 0.56

ml kg/ml

= 15.30 306 ml

longitud de varilla de 3/8" 9.36 En 20 correas Longitud de varilla de Ø 3/8" (ml) Peso de la varilla inferior de Ø 3/8" por ml Peso Correas

612.00 0.597

= 9.36 187.2 ml

773.14

kg

Cobertura de Fibra vegetal

Lado cobertura Sumado al otro lado

5.40 m x 166.3

15.40 +

Área de la cobertura Peso de la Cobertura por m2

m 10%

83.16 m2 182.952 m2 182.952 m2 3.9 kg/m2

Peso de la cobertura

713.51

kg

Peso de protección de succión de fondo Tubos

longitud tubos 1 jaula 4 jaulas

8 ml 32 ml

Longitud de Tubos F°Gdo Ø 3” Peso de Tubos F°Gdo Ø 3” por ml

32 ml 10 kg/ml

Peso tubos de 4 jaulas

320

27.45

Malla de Alambre

Cantidad de mallas Area malla Área Total Peso de malla de alambre por m2

4 5 20 1.83 36.6


kg

m2 m2 kg/m2 kg

pág. 10


MEMORIA DE CÁLCULO

Saneamiento y Tratamiento de Aguas Servidas de la Ciudad de Nauta, Provincia de Loreto – Loreto” 10%

Contingencias

4,204 kg

=

4,204

Mayor peso en obra de algún equipo ó aditamento que el considerado en el diseño Peso total

= 46,247

Cargas de Servicio A continuación se presenta el listado de cargas de Servicio. Cargas de Uso (1er caso) N° 11

Elemento

Carga Unitaria (kg) 400

Sobrecarga

Und 150

Sub Total (kg) 60000.00

TOTAL (kg)

60000.00

TOTAL (Ton)

60.00

Carga Unitaria

Und

Sub Total

Cargas de Uso (2do caso) N°

Elemento

a

Sobrecarga de Personas

80

20

1600.00

b

Equipos y repuestos

500

1

500.00

c

Tubería Flexible

60

20

1200.00

TOTAL (kg)

3300.00

TOTAL (Ton)

3.30

La determinación de las cargas de servicio se detalla a continuación: Entonces en cifras aproximadas el pontón con todos sus aditamentos necesarios pesa la cifra indicada. Sin embargo puede haber situaciones en las cuales el peso es mayor considerando, personal que ingresa para mantenimiento o herramientas para reparaciones Asumiendo una sobrecarga momentánea excesiva de: Trabajadores 20 trabajadores con vestimenta de obra. 80 kg. de peso promedio cada uno 1600 kg de sobrecarga de personas Equipos y repuestos 500 kg. de equipos y repuestos

Tubo flexible: aunque el tubo flexible que es el primer tramo de la línea de impulsión tiene flotadores por lo que no ejercerá presión sobre el pontón se asume un caso fortuito en el que si hay una fuerza momentánea equivalente a: 20 m.l. de tubería flexible 60 kg/m.l. 1200 kg. de tubería flexible. 3300 kg. en total de sobrecargas momentáneas.


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MEMORIA DE CÁLCULO

Cargas Eventuales Para el diseño, se considerará como sobrecargas eventuales a las fuerzas o cargas ambientales, que corresponde, en este caso, a la sumatoria de la fuerza de las olas y la corriente. Estas fuerzas se determinarán con las fórmulas recomendadas por la “American Bureau of Shipping” en su norma REF 7: “ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units”, año 2012, parte 3: “Hull construction and equipment” Las sobrecargas eventuales quedan determinadas por la sumatoria: FE=FD Donde: FE: Fuerzas ambientales FD: Fuerza de la corriente Respecto de estas sobrecargas eventuales, téngase presente las siguientes consideraciones Las sobrecargas eventuales consideradas para el diseño estructural de la balsa actúan en el plano horizontal y no vertical, por lo que no pueden ser consideradas en el mismo estado de combinaciones de carga. No se cuenta con datos in situ de las condiciones climáticas extremas a las que podría estar sometida la estructura y, por lo tanto, no se diseñará para los requerimientos reales de la balsa en su lugar de operación, sino para un escenario ficticio. En otras palabras, la estructura de la balsa será diseñada para resistir sobrecargas eventuales de una determinada magnitud, sin que esto de cuenta de las verdaderas condiciones ambientales en las que trabajará la estructura. Se despreciará la acción del viento sobre la estructura, debido a que la balsa no cuenta con paramentos verticales que opongan resistencia significativa al viento. La construcción de cualquier tipo de arquitectura sobre la balsa, no está considerada en su diseño estructural ni en el empuje hidrostático necesario para mantener la balsa a flote y podría comprometer su integridad.

Cargas por efecto del viento Según el Reglamento Nacional de Edificaciones E020 la carga exterior (presión y succión) ejercida por el viento se supondrá estática y perpendicular a la superficie a la cuál actúa. Se calculará mediante la expresión: ℎ = 0.005  

Donde: Ph

:

Presión o succión del viento a una altura h en kg/m2

C

:

Factor de forma adimensional indicado.

Vh

:

Velocidad de diseño a la altura h, en km/h, definida en el artículo.  = (


ℎ

). 10

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Saneamiento y Tratamiento de Aguas Servidas de la Ciudad de Nauta, Provincia de Loreto – Loreto” Vh

:

Velocidad de diseño en la altura h en km/h

V

:

Velocidad de diseño hasta 10m de altura en km/h

h

:

Altura sobre el terreno en metros

MEMORIA DE CÁLCULO

Para el diseño de los elementos de cierre, incluyendo sus fijaciones y anclajes, que limitan en cualquier dirección el nivel que se analiza, tales como paneles de vidrio, coberturas, alféizares y elementos de cerramiento, se adicionará a las cargas exteriores calculadas según el método planteado anteriormente, las cargas interiores (presiones y succiones) calculadas con los factores de forma para presión interior de la tabla 5.


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Saneamiento y Tratamiento de Aguas Servidas de la Ciudad de Nauta, Provincia de Loreto – Loreto”  = (

ℎ 10

MEMORIA DE CÁLCULO

).

V = 95 km/h h = 4.89m  = 95(

4.89 . ) 10

Vh = 81.17 km/h Debe cumplirse Vh≥V → Vh=95 km/h ℎ = 0.005  

C =2 Vh = 95 km/h Ph = 0.005*2*952

Ph = 90.25 kg/m2 Cargas por efecto de la corriente Las cargas por efecto de la corriente o fuerza de arrastre, se determinará mediante las ecuaciones de Morison, de acuerdo a lo establecido por la American Bureau of Shipping: 1  = ∗  ∗  ∗  ∗   2

Cd :

Coeficiente de arrastre de la corriente.

ρ :

Densidad del Agua.

v :

Velocidad de diseño de las aguas (m/s).

A :

Área que opone resistencia a la corriente.

FD :

Fuerza de arrastre.

Cd = 1.40 v = 2.50 m/seg ρ = 1.00 ton/m3 FD = 4.375 KN/AN 1  = ∗ 1.00 ∗ 1.40 ∗  ∗ 2.50 2

FD = 4.375 KN/AN

FD = 0.446 Tonf/AN


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MEMORIA DE CÁLCULO


Resumen de Cargas:



Cargas Permanentes:

o

Cargas Permanentes N°

Elemento

Carga Unitaria (kg)

Und

Sub Total (kg)

1

Peso de Plancha de Acero Naval

12151.80

1

12151.80

2

Peso de Plataforma Estriada

7266.67

1

7266.67

3

Peso del reticulado Interno

6407.90

1

6407.90

4

Peso de bombas y motores

933.20

1

933.20

5


6025.17

1

6025.17

6

Peso de sistema de alivio

1066.88

1

1066.88

7

Peso de Estructura de izaje

1717.40

1

1717.40

8

Peso armazón, mallas laterales y techo

6117.12

1

6117.12

9

Peso protección de succión de fondo

10

Contingencias

356.60

1

356.60

4204.27

1

4204.27

TOTAL (kg)

46247.01

TOTAL (Ton)

46.25

Und 150

Sub Total (kg) 60000.00

TOTAL (kg)

60000.00

TOTAL (Ton)

60.00

Cargas de Servicio:

o

Cargas de Uso (1er caso) N° 11

Elemento

Carga Unitaria (kg) 400

Sobrecarga

Cargas de Uso (2do caso) N°

Carga Unitaria

Und

Sub Total

a

Sobrecarga de Personas

Elemento

80

20

1600.00

b

Equipos y repuestos

500

1

500.00

c

Tubería Flexible

60

20

1200.00

TOTAL (kg)

3300.00

TOTAL (Ton)

3.30

Cargas Eventuales:

o

Cargas Eventuales N° 1 2

Elemento Cargas por efecto del Viento Cargas por efecto de la Corriente


Carga (kg/m2) 90.25 445.97

Carga (Ton/m2) 0.090 0.446

pág. 15



MEMORIA DE CÁLCULO

5.FUNDAMENTOS TÉCNICOS DE LA BALSA FLOTANTE Por las restricciones del peso, dimensionado de las piezas, e inconvenientes de manipuleo de los elementos metálicos; el diseño de la balsa, considera secciones modulares, perfectamente selladas, que flotan independientemente y que permiten ser ensambladas fácilmente sin mayores herramientas, formando en su conjunto, la balsa flotante; la estructura metálica de cada uno de éstos módulos, debe ser capaz de resistir impactos moderados y cargas concentradas sobre cubierta, de hasta 1,000 kg/m², teniendo, una altura máxima de 1m, considerando que la balsa va a ubicarse siempre, cerca a la orilla del río, donde la profundidad, es poca.

Área necesaria para la balsa flotante Consideramos el área en función de las dimensiones y pesos de los equipos posible a ser soportado por la balsa flotante; y ajustamos el área tomando en cuenta las dimensiones comerciales de las planchas a usarse, con el fin de minimizar los desperdicios y las costuras de soldadura de empalme y; comprobamos que esta área sea mayor o igual al área mínima requerida por el desplazamiento máximo que se le quiere dar a la balsa flotante.

Cálculo de Desplazamiento Los calados y puntales para balsas flotantes en ríos de poco caudal, deben ser considerados en poca proporción, más aún, si esta balsa flotante se ha de anclar cerca a la orilla del río, por lo que considerando la parte no sumergida del puntal (francobordo) en 0,30m y el calado 0,70m, el puntal debe tener 1.00m. Según necesidades de áreas y calado considerado el embarcadero en su conjunto tendrá las siguientes características: Eslora

:

L=15.00m

Manga

:

B=10.00m

Puntal

:

H=1.00m

El principio Arquímedes expresa que “Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido recibe un empuje vertical hacia arriba, igual al peso del fluido desalojado por el cuerpo”. Esto rige para cualquier fluido, siempre que la fricción interna entre sus moléculas, esto es la viscosidad sea nula o en la práctica muy pequeña; por ejemplo, con el agua y el aire, pero con sustancias tales como el asfalto.


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MEMORIA DE CÁLCULO

La balsa flotante en este c aso tiene dimensiones en planta de 10 x 15 m. y por su pequeña configuración comúnmente se le llama pontón. Esta estructura sirve de captación. A c ontinuación se efectuará el metrado de cargas con el fin de hacer la verificación de estabilidad de esta estructura. Dimensiones

10.00 m 15.00 m

b= h=

Metrado de Cargas Cargas Muertas

Peso propio Balsa Flotante

46.25 Ton

Cargas Vivas

s/c Ba lsa Flotante (400 kg/m2)

60.00 Ton

El valor de la sobrecarga de la balsa cautiva se obtuvo de las cargas transitorias sobre el mismo.

Hundimientos

Verificación de los hundimientos que se producirán en la Balsa Flotante. Se aplicará el Principio de Arquímides.  =

 =

    

=

46.25 150

ton m2

=

0.308 m

=

106.25 150

ton m2

=

0.708 m

       

El volumen desalojado por el cuerpo es en el caso del embarcadero, precisamente el volumen sumergido, llamado también, volumen de la carena V. Si el peso específico del fluido, en este caso el agua, es γ, evidentemente el principio de Arquímedes expresa que: Empuje = V.γ

6. ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA BALSA FLOTANTE El diseño estructural de la balsa se ha basado en las reglas de la Germanischer Lloyds para barcazas, asimismo se ha tenido en consideración los aspectos de estabilidad estática y dinámica y los factores externos que influirán el desempeño de la balsa flotante. Se ha modelado con ayuda de un software CAD las características estructurales de la balsa flotante para ser analizadas con el software SAP 2000, a fin de profundizar el análisis estructural de los elementos de mayor importancia, lográndose así una optimización del diseño.

6.1. Diseño Estructural: El objetivo del diseño estructural es crear una estructura segura y que satisfaga también un conjunto de diversos requisitos impuestos por factores tales como la función de la estructura, condiciones del lugar, aspectos económicos, estética, facilidades para construir, etc. Memoria de Cálculo de Balsa Flotante

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MEMORIA DE CÁLCULO

El cálculo de las fuerzas internas es una parte integral del proceso de revisión de la estructura existente. Por lo regular nos interesan los esfuerzos internos producidos por las cargas, porque la finalidad es revisar el diseño de las estructuras existentes, de manera que los esfuerzos no excedan los valores límites de seguridad. Un buen análisis se basa en prever con certeza el comportamiento de las estructuras en las condiciones de servicio, a pesar que todas las estructuras se deforman continuamente a causa de las cargas, de los cambios de humedad, de la temperatura y por otras causas.

6.2. Análisis por el método de elementos finitos: Uno de los grandes problemas a los que se enfrenta la modelación de eventos mecánicos usando el método de elementos finitos, es la veracidad de los resultados, ya que si bien es cierto que la técnica de elementos finitos nos es exacta desde sus fundamentos por ser un método numérico para la solución de ecuaciones, tenemos que añadir aun un factor de error mayor debido a la modelación y a los problemas para generar diseños en CAD fiables, que sean representativos del modelo físico real y que las condiciones de operación y de frontera de los modelos. El análisis por elementos finitos (FEA por sus siglas en inglés: Finite Element Analysis) es una técnica de simulación por computador usada en ingeniería. Usa una técnica numérica llamada Método de los elementos finitos (FEM). Un uso común de FEA es para determinar los esfuerzos y desplazamientos en sistemas mecánicos. Es además usado de manera rutinaria en el análisis de muchos otros tipos de problemas, entre ellos Transferencia de calor, dinámica de fluidos, y electromagnetismo. Con FEA se pueden manejar sistemas complejos cuyas soluciones analíticas son difícilmente encontradas. En general, hay tres fases en cualquier tarea asistida por computador: 

Pre-procesamiento. Definir el modelo de elementos finitos y los factores ambientales que influyen en él.



Solución del análisis. Solucionar el modelo de elementos finitos.



Post-procesamiento de resultados usando herramientas de visualización.

6.3. Geometría de la Balsa Flotante y la Cobertura Metálica:


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MEMORIA DE CÁLCULO

Cobertura Metálica Tridimensional.

Elevación de Cobertura Metálica.


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MEMORIA DE CÁLCULO

Planta de Cobertura Metálica.

Correas Metálicas


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MEMORIA DE CÁLCULO

Balsa Flotante Tridimensional.

Balsa Flotante Tridimensional.


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MEMORIA DE CÁLCULO

Planta de la Balsa Flotante.

Elevación transversal de la Balsa Flotante


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MEMORIA DE CÁLCULO

Elevación Longitudinal de la Balsa Flotante.

6.4. Estructuración: La estructura de la Balsa Flotante estará conformada por tres mamparas transversales que dividen la balsa flotante en forma simétrica; adicionalmente entre mamparas se están considerando reticulados que servirán de apoyo de los refuerzos de las planchas que conforman el casco. En el eje longitudinal de la balsa flotante también se está considerando reticulados con el propósito de distribuir los esfuerzos en la estructura.

Reticulado Interno El tipo de miembro estructural empleado son perfiles IPN 100, con las siguientes características:


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MEMORIA DE CÁLCULO

Planchas horizontales y Verticales La utilización de planchas de acero en la balsa flotante son para cubrir la estructura principal, es decir la unión entre los reticulados y refuerzos. Estas planchas soportarán las presiones hidrostáticas y dinámicas del agua, así como las cargas de gravedad y sobrecargas verticales según sea el caso. Para que la balsa flotante pueda flotar, este debe ser hueco en su interior, de modo que tal que por acción del aire que se entre dentro de él se mantenga estable sobre las aguas del río.

Refuerzos Los refuerzos van adheridos a las planchas del casco de acero, en los paños extremos e intermedios, éstos son utilizados para ayudar a soportar las cargas actuantes sobre las planchas, dichos refuerzos son ángulos o platinas de longitudes iguales. El diseño del refuerzo tendrá en cuenta la contribución de un sector de la plancha de acero, para que en su conjunto se obtenga un esfuerzo permisible de acuerdo a los códigos. En este caso tanto la plancha como los refuerzos serán de acero ASTM A36.

6.5.Estados de Cargas: Debido a que el programa SAP2000 hace la distribución automática de las cargas muertas de los elementos de la balsa flotante, se introdujeron las cargas muertas, las cargas vivas y las cargas de viento generados en la cobertura más las cargas vivas, cargas por efecto de viento, cargas por efecto de la corriente por metro cuadrado sobre la balsa flotante. Se aprecia en las siguientes figuras las cargas generadas por los Equipos y la Cobertura Metálica.

Carga Generados por los Equipos y la Cobertura Metálica: Se indican valores de la 1°, 2°, 3° y 4° alternancia de las cargas generadas por los Equipos y la Cobertura Metálica.


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MEMORIA DE CÁLCULO

Carga de la Bomba en la balsa flotante 0.233Tn (233 kg) – Bomba

Carga Muerta de la Cobertura – CM1


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MEMORIA DE CÁLCULO

Carga Viva de la Cobertura – CVT

Carga de Viento de la Cobertura – VIENTO TECHO


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MEMORIA DE CÁLCULO

Cargas en la Balsa Flotante: Se indican valores de la 1°, 2°, 3° y 4° casos de la cargas de la balsa flotante. Debido a que el programa SAP2000 hace la distribución automática de las cargas muertas de los elementos de la balsa flotante.

Cargas por efecto de la corriente (0.446 ton/m2) - Alternancia 1.

Cargas por efecto de la corriente (0.446 ton/m2) - Alternancia 2.


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MEMORIA DE CÁLCULO

Cargas por efecto del viento (0.090 ton/m2) - Alternancia 1.



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MEMORIA DE CÁLCULO




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MEMORIA DE CÁLCULO

6.6. Combinaciones de Cargas Las combinaciones de cargas usadas para encontrar la envolvente de esfuerzos sobre los elementos de la estructura son las siguientes: COMB

:

1.4 D

COMB

:

1.2 D + 1.6 + 0.5 Lr

COMB

:

1.2 D + 1.60 Lr + 0.5 (L, CL, CC)

COMB

:

1.2 D + 1.60 (L, CL, CC) ± 0.8V

COMB

:

1.2 D + 0.5 (L, CL, CC) ± 1.3V

COMB

:

0.9D ± 1.3V

COMB

:

1.2 D + 0.5L

Donde: D : Carga permanente Lr : Carga viva en los Techos L

: Carga Viva debida al mobiliario y ocupantes

V : Carga por efecto del viento CC : Carga por efecto de las corrientes CL : Caga por empuje de Líquidos


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MEMORIA DE CÁLCULO

6.7.Condiciones de Contorno Para hacer un análisis por el método de elementos finitos, las condiciones de contorno de la balsa son las siguientes según Ítem 15 de la Sección 3 de la norma ABS FEA.

SOPORTE DE MOLAS Las fuerzas y momentos de la estructura no siempre están en equilibrio, para esto se recomienda condiciones de contorno especiales usando elementos “Rod” (Tipo de elemento Combin 14) en las direcciones horizontales y verticales. Estos soportes deberán estar conectados al modelo y sus extremos finales de forma fija.

Soporte de Molas En una barcaza fluvial las molas se colocan solo en las esquinas de los mamparos en forma vertical y horizontal, su constante de rigidez se calcula de la siguiente manera:


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Saneamiento y Tratamiento de Aguas Servidas de la Ciudad de Nauta, Provincia de Loreto – Loreto” =

MEMORIA DE CÁLCULO

 .  [(1  )]

a1 = 15 m

ᴧ

t1 = 0.0045m

E = 2038901.9 Ton/m2 L = 2.15 m  =

(15 ∗ 0.0045) ∗ 2038901.9 [(1  0.3) ∗ 2.15]

K1 = 49240.028 Ton/m a2 = 10 m

ᴧ

t2 = 0.0045m

E = 2038901.9 Ton/m2 L = 5.65 m  =

(10 ∗ 0.0045) ∗ 2038901.9 [(1  0.3) ∗ 5.65]

K2 = 12491.57 Ton/m a3 = 15 m

ᴧ

t3 = 0.008m

E = 2038901.9 Ton/m2 L = 2.85 m  =

(15 ∗ 0.008) ∗ 2038901.9 [(1  0.3) ∗ 2.85]

K3 = 66037.31 Ton/m

6.8. Verificación de Estructuras Metálicas CARACTERISTICAS DE MATERIALES Las propiedades mínimas para los materiales considerados en este estudio son los siguientes:

Acero Estructural 

Perfiles Laminados, ASTM A36

Fy=

25 KSI

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO La selección de los elementos se hizo considerando el método de Diseño LRFD



considerado en AISC 2005, Manual of Steel Construction Allowable Stress Design. American Institute of Steel Construction. 

“American Bureau of Shipping”



Para el cálculo estructural con la geometría en 3D de la planta, se utilizó el software SAP2000.


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MEMORIA DE CÁLCULO

Cobertura Metálica Modelado en sap.

Cobertura Metálica Modelado en sap.


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MEMORIA DE CÁLCULO

6.9. Control de Desplazamientos Determinación de Desplazamientos.

Desplazamiento en la plancha superior.

Desplazamiento en la plancha superior.


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MEMORIA DE CÁLCULO

6.10. Análisis

Diagrama de Momento Flectores en el reticulado.

Diagrama de Fuerzas Cortantes en el reticulado.


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MEMORIA DE CÁLCULO

Diagrama de Fuerzas Axial en el reticulado, Eje 0.




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MEMORIA DE CÁLCULO





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MEMORIA DE CÁLCULO





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MEMORIA DE CÁLCULO





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MEMORIA DE CÁLCULO





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MEMORIA DE CÁLCULO



Diagrama de Fuerzas Axial en el reticulado, Eje A. Memoria de Cálculo de Balsa Flotante

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MEMORIA DE CÁLCULO

Diagrama de Fuerzas Axial en el reticulado, Eje B.

Diagrama de Fuerzas Axial en el reticulado, Eje C.


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MEMORIA DE CÁLCULO

Diagrama de Fuerzas Axial en el reticulado, Eje D.

Diagrama de Fuerzas Axial en el reticulado, Eje E.


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MEMORIA DE CÁLCULO

Diagrama de Fuerzas Axial en el reticulado, Eje F.

Diagrama de Fuerzas Axial en el reticulado, Eje G.


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MEMORIA DE CÁLCULO

Diagrama de Fuerzas Axial en el reticulado, Eje H.

Diagrama de Fuerzas Axial en el reticulado, Eje I.


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MEMORIA DE CÁLCULO

Diagrama de Fuerzas Axial en el reticulado, Eje J.

Diagrama de Fuerzas Axial en el reticulado, Eje K.


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MEMORIA DE CÁLCULO

6.11.Análisis Estructural de las planchas. Para el análisis por el método de elementos finitos previamente se ha modelado la balsa flotante, según el Plano de Estructuras mostrado, este modelo ha sido modelado por el Software SAP 2000 para llevar a cabo nuestro análisis. Dentro del software SAP 2000 hemos representado la condición de máxima carga, caracterizada por la acción de las condiciones de cargas, las condiciones de contorno y el tipo de material ASTM A36.

Plancha superior

Tensión S11 de Von Mises sobre la plancha superior.



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MEMORIA DE CÁLCULO

La distribución de los esfuerzos de Von Mises obtenidos sobre la plancha superior, muestran que el sector con unión con la plancha lateral son las que presentan una gran concentración de esfuerzos, especialmente en las cercanías de los apoyos, alcanzando un esfuerzo máximo de 12.24 MPa. Los esfuerzos en la plancha no supera el esfuerzo de fluencia del material, por lo que bajo esta condición de carga no se producirá una falla en la estructura. Por lo tanto, nuestros resultados están por debajo del esfuerzo de fluencia del material (Acero estructural A36). Si el esfuerzo de fluencia del acero estructural es de 250 MPa, entonces nuestro FS (Factor de Seguridad) es:  =

250/1.6 12.24

= 12.77

En conclusión los resultados de nuestro análisis son satisfactorios debido a que el factor de seguridad obtenido es superior al recomendado por el reglamento de la Germanischer Lloyd.

Plancha inferior



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MEMORIA DE CÁLCULO

Tensión S22 de Von Mises sobre la plancha superior. La distribución de los esfuerzos de Von Mises obtenidos sobre la plancha inferior, muestran que el sector medio entre las mamparas son las que presentan una gran concentración de esfuerzos, alcanzando un esfuerzo máximo de 17.92 MPa. Los esfuerzos en la plancha no supera el esfuerzo de fluencia del material, por lo que bajo esta condición de carga no se producirá una falla en la estructura. Por lo tanto, nuestros resultados están por debajo del esfuerzo de fluencia del material (Acero estructural A36). Si el esfuerzo de fluencia del acero estructural es de 250 MPa, entonces nuestro FS (Factor de Seguridad) es:  =

250/1.6 17.92

= 8.72



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MEMORIA DE CÁLCULO

Plancha Lateral


Tensión S22 de Von Mises sobre la plancha superior. La distribución de los esfuerzos de Von Mises obtenidos sobre la plancha laterales, muestran que el sector con unión con la plancha inferior y superior son las que presentan una gran concentración de esfuerzos, especialmente en las cercanías de los apoyos, alcanzando un esfuerzo máximo de 17.18 MPa.


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MEMORIA DE CÁLCULO

Los esfuerzos en la plancha no supera el esfuerzo de fluencia del material, por lo que bajo esta condición de carga no se producirá una falla en la estructura. Por lo tanto, nuestros resultados están por debajo del esfuerzo de fluencia del material (Acero estructural A36). Si el esfuerzo de fluencia del acero estructural es de 250 MPa, entonces nuestro FS (Factor de Seguridad) es:  =

250/1.6 17.18

= 9.09


Mamparas



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MEMORIA DE CÁLCULO

Tensión S22 de Von Mises sobre la plancha superior. La distribución de los esfuerzos de Von Mises obtenidos sobre la plancha superior, muestran que el sector del casco con unión con la plancha superior son las que presentan una concentración de esfuerzos, alcanzando un esfuerzo máximo de 9.59 MPa. Los esfuerzos en la plancha no supera el esfuerzo de fluencia del material, por lo que bajo esta condición de carga no se producirá una falla en la estructura. Por lo tanto, nuestros resultados están por debajo del esfuerzo de fluencia del material (Acero estructural A36). Si el esfuerzo de fluencia del acero estructural es de 250 MPa, entonces nuestro FS (Factor de Seguridad) es:  =

250/1.6 9.59

= 16.29



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MEMORIA DE CÁLCULO

6.12. Diseño de los elementos de Acero

Diseño y verificación de los perfiles.

- DISEÑO AUTOMATIZADO DE MIEMBROS DE ACERO, SEGÚN ESPECIFICACIONES AISC LRFD 99. - DETALLES DE VERIFICACION DE ESFUERZOS EN MIEMBROS MAS CRITICOS DE CADA COMPONENTE DE LA ESTRUCTURA (BRIDAS, MONTANTES).


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MEMORIA DE CÁLCULO

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MEMORIA DE CÁLCULO

pág. 55



MEMORIA DE CÁLCULO

ANÁLISIS Y DISEÑO

Para el diseño se tomará en cuenta los siguientes Parámetros Propiedades del Acero ASTM A36 1ksi= Fy= Fu= E=

70 36 58 2030000 0.30 780769.23 0.000012

ν=

G= ꜫ=

kg/cm2 ksi ksi kg/cm2

2520 kg/cm2

1/°C

Predimensionamiento de las Planchas del Pontón Plancha Inferior:

Extremo:

 =  ∗ ℎ Presión= Peso específico del agua x hundimiento ϒH2O=

h=

1.00 Ton/m3 0.35 m

Presión=

0.35 Ton/m2

Tamaño de la plancha =

1150

x

1000 mm

Espaciadas =



 =

12

Mx=

0.0386 Ton-m/m

Usando plancha de:

 =

1/4 ''

ℎ 3 12

Inercia=

=

2.134 cm4/cm



Esfuerzo= Se usará plancha de

6.35 mm

573.97

5/16 ''


0.6Fy Plancha A36

 <

1512 kg/cm2

OK

por tema de la corrosión de la plancha naval.

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MEMORIA DE CÁLCULO

CASO 2 ϒH2O =

h=

1.00 Ton/m3 0.70 m

Presión=

0.70 Ton/m2


1150

x

1000 mm

Espaciadas = 

  =

Mx=

12

0.0771 Ton- m/m

Usando plancha de:

1/4 '' ℎ

 =

6.35 mm

3

12

Inercia=

2.134 cm4/cm 

 =

0.6Fy Plancha A36



Esfuerzo= 1147.93

<

1512 kg/cm2

OK

CASO 3 ϒH2O =

h=

1.00 Ton/m3 0.70 m

Presión=

0.70 Ton/m2


1150

x

1000 mm

Espaciadas = 

 =



8

Mx=

0.1157 Ton- m/m

Usando plancha de:

5/16 '' ℎ

 =

7.9375 mm

3

12

Inercia=

4.167 cm4/cm 

 =

0.6Fy Plancha A36



Esfuerzo= 1102.02


<

1512 kg/cm2

OK

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MEMORIA DE CÁLCULO

Saneamiento y Tratamiento de Aguas Servidas de la Ciudad de Nauta, Provincia de Loreto – Loreto” Plancha superior

CASO 1 Peso de Equipos y Caseta Metálica= Peso de planchas de 1/4"=

0.55 Ton/m2 0.05 Ton/m2

Presión=

0.60 Ton/m2


1150

x

1000 mm

Espaciadas = 

  =

Mx= Usando plancha de:

0.0992 Ton-m/m 1/4 ''

ℎ  =

8

6.35 mm

3

12

Inercia=

2.134 cm4/cm 

 =

Esfuerzo= 1475.91


0.6Fy Plancha A36



<

1512 kg/cm2

OK

pág. 58



MEMORIA DE CÁLCULO

SISTEMA DE ANCLAJE Analizamos las fuerza sobre el pontón:

PRESIÓN DEL VIENTO ℎ = 0.005 C= Vh=

2.0 95

km/h

Ph= 90.25 kg/m2

Dirección de la corriente Pontón:

15.00

A x

0.3

x

Ph 0.09

x

Ph 0.09

=

PhxA (Ton) 0.406

=

PhxA (Ton) 0.271

Perpendicular a la corriente Pontón:

10.00

A x

0.3

FUERZA DE CORRIENTES  =

CD= ρ=

V= FC=

1 2

Fuerza de Corrientes del British Standard Code

   

1.40 1.00 Ton/m3 2.50 m/seg 4.38 AN FC/AN=

Pontón:

0.446 Ton/m2

15.00

Pontón:

A x

AL OTRO LADO

0.7

x

FC/AN 0.446

=

FC (Ton) 4.683

=

FC/6 (Ton) 0.780

FUERZA DEL VIENTO EN EL TECHO FVT=

0.760

Ton


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MEMORIA DE CÁLCULO

FUERZA EN LOS CABLES

T1=

4.780 Ton

T2=

3.320 Ton

Para los Cables de Acero debemos tener en consideración los factores de Seguridad: El factor de seguridad de un cable de acero es la relación entre la resistencia a la ruptura mínima garantizada del cable y la carga o fuerza de trabajo a la cual esta sujeta. No es posible detallar el fa ctor de seguridad para todas las a plicaciones, porque también hay que considerar el ambiente y circunstancias en el área de trabajo, pero en la siguiente tabla se observa una guía general para la selección del correspondiente factor.

Hay que tomar en cuenta que es necesario aumentar el factor de seguridad donde hay un ambiente muy corrosivo o donde una inspección frecuente es difícil de llevar a cabo. Ahora se Analizan los Cables de Acero Cable 1:

T1=

4.78 Ton

F.S.=

4.00

Fdiseño=

19.12 Cables

Tipo de Cable

φ"

Resistencia del Cable (Ton)

Necesarios

A utilizar

6x37, alma de acero

1/2

12.00

1.59

2.00

Cable 2:

T1=

3.32 Ton

F.S.=

4.00

Fdiseño=

13.28 Cables

Tipo de Cable

φ"

Resistencia del Cable (Ton)

Necesarios

A utilizar

6x37, alma de acero

1/2

12.00

1.11

2.00


pág. 60

Memoria de Pontón

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