DIPLOMADO EN DISEÑO ESTRUCTURAL
NUEVAS TENDENCIAS EN EDIFICACIONES URBANAS E INDUSTRIALES
“DISEÑO SÍSMICO DE UNA NAVE INDUSTRIAL CON PUENTE GRUA”
TRABAJO APLICATIVO FINAL DEL DIPLOMADO
EQUIPO 5:
LUIS NERIO, HUAMANÍ MATUTE
CARLOS, MOGROVEJO ZAMBRANO
MARZO 2011-03-17
LIMA-PERU
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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 sur americana (NCh2369.of2003) (NCh2369.of2003) de donde se obtuvieron 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.
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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 sur americana (NCh2369.of2003) (NCh2369.of2003) de donde se obtuvieron 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.
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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 c ontratación de terceros.
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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.
I
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 TIPO 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
II
BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………….………….42
ANEXOS
CAPITULO 1
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. En la industria metal mecánica donde se producen grandes toneladas métricas (TM) diarias de estructuras, estas edificaciones techadas son importantes porque protege a los trabajadores de los rayos solares que en
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estaciones de verano les generan fatiga y desgano reduciendo la eficacia del trabajador. En invierno en temporadas de lluvia el soldador por motivos de seguridad no realiza soldaduras debido a que se produzca un circuito cerrado entre el material base y el cuerpo húmedo del soldador generándose así tiempos muertos y retrasos en la producción. Cuando el acero está húmedo dificulta la labor del armador o calderero para realizar trazos sobre el acero, de esta manera prolongándose el tiempo de acabado. Para realizar cortes con equipos de oxicorte la superficie del acero ferroso debe estar seco, caso contrario se genera trabajo adicional para el secado y prolongándose el trabajo de corte. Para aumentar la capacidad de producción; reducir los tiempos muertos por las lluvias; por la salud y protección del trabajador; para la protección de los equipos e instalaciones eléctricas y mecánicas se debería realizar el Diseño Sísmico de una Nave Industrial con un Puente Grúa para la industria metal mecánica y posterior a esto su construcción. En este trabajo se realizará el Diseño Sísmico de una Nave Industrial con un Puente Grúa que será usado en la industria metal mecánica, debido al aumento de la demanda en las construcciones de estructuras metálicas.
1.2.- Objetivo El objetivo general es realizar el Diseño Sísmico de una Nave Industrial con un Puente Grúa considerando desplazamientos prudentes para proteger al trabajador y para proteger los equipos e instalaciones eléctricos y mecánicos; el cual será usado para la fabricación de estructuras metálicas. El diseño estará
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basado según la norma E.030 considerando un coeficiente de uso e importancia U=1,3 y será instalado en un parque industrial de Lima, utilizando como herramienta de cálculo el sap2000 v14.2 y conocimientos obtenidos durante el diplomado de diseño estructural.
1.3.- Alcance 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.
1.4.- 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.
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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.
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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 l os carros testeros.
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Figura 1.1 Nave industrial con Puente grúa y componentes 1.4.2.- Clasificación de puentes grúa: Según norma europea los puentes grúa se clasifican en cuatro grupos, según el tiempo de funcionamiento, la carga y los choques a que están sometidos. Antes de diseñar un puente grúa, se tendrá que conocer el grupo a que pertenece, para usar en el cálculo el tipo de coeficiente adecuado. Mediante la tabla 1.1 se puede identificar el tipo de puente grúa y conocer a qué grupo pertenece y obtener el coeficiente de compensación ψ.
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Tabla 1.1 Clasificación de Puentes grúa Nº
Tipo de puente grúa
1
Puente grúa con movimiento de traslación a mano.
2
Puentes grúa con movimientos de traslación eléctrico para patios
Grupo I I – II
de almacenamiento.
3
Puentes grúa de poca carga para talleres y almacenes.
II – III
4
Puentes grúa con carga grande para talleres y almacenes
II
5
Puentes grúa para locomotoras.
II
6
Puentes grúa para astilleros.
II – III
Puentes grúa especiales para siderúrgicas
7
Puentes grúa para talleres de fundición.
II – III
8
Puentes grúa para talleres de laminación.
II – IV
9
Puentes grúa para hornos de acero.
III – IV
10
Puentes grúa para hornos de fosa.
III – IV
Según la Asociación Americana de Fabricantes de grúas (CMAA Crane Manufacturers Asociation of America) se ha clasificado los puentes grúa en seis clases, desde el uso esporádico Clase “A”, a la de uso continuo y severo Clase “F”, la mayoría de los puentes grúas de uso industrial son clase “C” o clase “D”. Es una práctica generalizada en la industria de las grúas, cotizar equipos clase “C” a menos que el cliente indique lo contrario.
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Tabla 1.2 Clasificación de grúas CMAA
Regulaciones OSHA Clasificación para intervenciones
Ciclo de de Grúas servicio
Descripción del servicio Inspecciones Mantención
CMAA Mínimas
Preventiva
Servicio no Frecuente o Stand
Manejo de cargas a baja velocidad con intervalos
A
Anual
Cada 6 meses largos entre levantes. No más de 2 levantes a l mes a
by
plena capacidad. Uso periódico liviano y a baja velocidad desde 2 a 5
Servicio Liviano
B
Anual
Cada 4 meses levantes por hora sin carga y ocasionalmente a pelan carga.
Servicio
Levante desde 5 a 10 por hora c on carga de 50% de
C
Anual
Cada 2 meses
Moderado
la nominal. Levante desde 10 a 20 por hora c on carga
Servicio Pesado
D
2 veces al año
Mensual
aproximada al 50% regularmente pero no más del 65% de la nominal. Servicio constante entre 20 a 40 levantes por hora a
Servicio Severo
E
3 veces al año 2 veces al mes altas velocidades.
Servicio Continuo
F
3 veces al año
Semanal
Operación continua de levantes.
Severo
Los puentes grúas de clase “C” son diseñados para fabricación de estructuras metálicas livianas, talleres de maquinaria, cargue y descargue de moldes, troqueles o herramientas. Los Puente Grúa clase “D” son diseñados para fundiciones, fabricación de estructuras metálicas pesadas, centros de servicio o ferreterías. Si se diseña una grúa clase “D” para una operación Clase “C” estará
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extendiendo su vida operacional, lo que resultará en un mantenimiento mínimo,
aparentemente
no
tendrá
tiempos
de
parada
y
mejorará
significativamente los márgenes de seguridad. Los puentes grúas de Clase “D” comparadas con las de Clase “C”, están diseñadas para: hacer el doble de levantamiento durante su vida útil y levantar la capacidad nominal con un 30 % más de frecuencia.
Vista de una nave industrial del sector metal mecánico
CAPITULO 2
DISEÑO DE UNA NAVE INDUSTRIAL CON UN PUENTE GRÚA
2.1.- CONSIDERACIONES P ARA 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
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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
altura de izaje: 9,5 m
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.
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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.
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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:
Lima está situado en la zona 3 (Z=0,4). 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)
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Determinación del espectro de aceleración en las direcciones “x” e “y”. DIRECCIÓN “X” C=2,5(Tp/T); C<=2,5 Sa=(ZUCS/R)g; R=9,5 C T Sa 2.5 0.3 1.61 2.5 0.4 1.61 2.5 0.5 1.61 2.5 0.6 1.61 2.1 0.7 1.38 1.9 0.8 1.21 1.7 0.9 1.07 1.5 1.0 0.97 1.4 1.1 0.88 1.3 1.2 0.81 1.2 1.3 0.74 1.1 1.4 0.69 1.0 1.5 0.64 0.9 1.6 0.60 0.9 1.7 0.57 0.8 1.8 0.54 0.8 1.9 0.51 0.8 2.0 0.48
DIRECCIÓN “Y” C=2,5(Tp/T); C<=2,5 Sa=(ZUCS/R)g; R=6 C T Sa 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
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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. TABLE: Desplazamiento de puntos en la dirección "X" e "Y" Joint OutputCase StepType X Y DRIFTx DRIFTy
Text 3 8 13 18 23 28 33 38 43 48 53 58 63 68 73 78 83 88 93 98 103 108 113 118 123 128 133 138 143 148 185 186
Text 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 QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy QUAKEx;QUAKEy
Text Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max Max
Mm 0.946 0.922 0.913 0.922 0.946 0.946 0.922 0.913 0.922 0.946 1.438 1.748 2.034 2.130 2.897 2.897 2.130 2.034 1.748 1.438 1.438 1.748 2.034 2.130 2.897 2.897 2.130 2.034 1.748 1.438 5.090 5.090
Tabla 2.3 A
mm 0.401374 2.176582 3.037784 2.176583 0.401373 0.401374 2.176583 3.037784 2.176582 0.401373 0.401541 0.401869 0.402629 0.403723 0.405904 0.405904 0.403723 0.402629 0.401869 0.401541 0.401541 0.401869 0.402629 0.403723 0.405904 0.405904 0.403723 0.402629 0.401868 0.401541 0.407881 0.407881
Δh/ΔH 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0007 0.0011 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
Δh/ΔH 0.0002 0.0010 0.0014 0.0010 0.0002 0.0002 0.0010 0.0014 0.0010 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 0.0002 0.0002
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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
Text W10X19 WT4X9 W16X36 W16X45 W16X77 Puente C150x50x15x2,5
Object Type
NumPieces
Text Unitless Vigas amarre de columnas 68 Arriostre tipo X en techo y 192 paredes Columnas parte frontal 24 Columnas parte lateral y 96 techo Viga carrilera 22 Viga principal del puente 1 Correas techo 198 Tabla 2.3 B
TotalLengt h
TotalWeigh t
M 384.0 1407.4
TM 10.9283 18.7437
77.0 520.8
4.1331 35.0726
132.0 20.0 1188
15.1066 5.3595 6.534
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.
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a) Calculo de las columnas laterales (ejes A y E). Verificando la columna W16”x45 Lb/pie
LRFD Pu
=
Especificaciones Sap2000
67,14.kips
M ux
= 100,2.Kip − ft
M uy
=
K x L x
2,2.Kip − ft
1,5(37,73)(12)
=
r x K y L y
6,65
=
r y
= 102,1
1,0(14,76)(12) 1,57
= 112,8
Trabajamos con el mayor 112,8 φ c F cr φ c Pn
Considerando Kx = 1,5
Manual AISC tabla 4-22
= 16,3.Ksi
= φ c F cr Ag = 16,3(13,3) =
216,79.Kips
Calculo de la longitud efectiva KL =
K x L x
=
r x r y
1,5(37,73)
6,65 1 , 57
= 13,4 ft .
Trabajando con Lb = 13,40. ft . M cx
M nx = = φ
M cy
=
Pu
φ c Pn Pu
φ c Pn Pr Pc
+
36 50
=
>
φ M ny
36
(191) = 137,5.kip − ft
50
216,79.Kips
=
+
+
M ry
≤ 1,0
M cy
8 100,2
9 224
+
Manual AISC tabla 3-2
0,309
0,2 ⇒ usar .ecuación : H 1.1a
9 M cx
216,79
=
67,14.Kips
8 M rx
67,14
Manual AISC tabla 3-10
224.kip − ft
2,2
= 0,72 < 1...OK
137,5
Manual AISC; capitulo H
21
b) Calculo de las columnas frontales (ejes 1 y 12) Verificando la columna W16”x36 Lb/pie
LRFD Pu
Especificaciones Sap2000
= 10,82.kips
M ux
=
9,73.Kip − ft
M uy
=
0,0.Kip − ft
K x L x
1,5(44,3)(12)
=
r x K y L y
6,51
=
r y
= 122,5
1,0(14,76)(12) 1,52
Considerando Kx = 1,5
= 116,6
Trabajamos con el mayor 122,5 φ c F cr φ c Pn
= 15,05.Ksi
Manual AISC tabla 4-22
= φ c F cr Ag = 15,05(10,6) = 159,53.Kips
Calculo de la longitud efectiva K x L x
KL =
r x r y
=
1,5(44,3)
6,51 1 , 52
= 15,5 ft .
Trabajando con Lb = 15,5. ft . M cx
= φ M nx = 144.kip − ft
M cy
=
Pu
φ c Pn Pu
φ c Pn Pr
2 Pc
36 50
=
<
φ M ny
=
36 50
10,82.Kips 159,53.Kips
Manual AISC tabla 3-10
(148) = 106,5.kip − ft
=
0,07
0,2 ⇒ usar .ecuación : H 1.1b
M rx M cx
+
10,82 2(159,53)
+
M ry
≤ 1,0
M cy
9,73
+
144
+
Manual AISC tabla 3-2
0,0
= 0,10 < 1...OK
106,5
Manual AISC capitulo H
22
c) Calculo de las vigas carrileras a flexión Para el cálculo se considerará como flecha máxima admisible f max .
=
L
600
;
W16x77. LRFD Pu
Observaciones Sap2000
= 17,37.Kips
f max .
=
L
600
I x ( requerido) I x ( requerido)
=
=
=
236,22 600
=
0,394.in. Manual AISC tabla 3-23;
Pu L3
diagrama 7
48 Ef max . 17,37(326,22) 3 48(29000)(0,394)
= 1099,50.in
4
Verificando: W16”x77 Lb/pie Manual AISC tabla 3-2 1099,50.in
4
< 1110.in
4
........OK
d) Diseño de plancha base de columnas laterales W16”x45 Lb/pie Para el diseño de la plancha base se hará uso de una hoja de cálculo, donde los datos de entrada son las dimensiones geométricas del perfil de la columna W16”x45 y los esfuerzos máximos axial y de flexión.
23
24
El diseño de la plancha base se calculó por límite de fluencia en la interfaz del cojinete, resultando el espesor de la plancha base 40 mm y también se calculó por límite de fluencia en la interfaz a tensión, resultando 30 mm. Escogiendo el valor más conservador que es 40 mm para asegurar el trabajo de la plancha base a cargas nominales. Para casos donde los pernos de anclaje quedan sujetos a tracción deben tener sillas y el vástago debe ser visible para permitir su inspección y reparación, el hilo debe tener suficiente longitud para reapretar las tuercas (ver figura A.1). La longitud expuesta de los pernos no debe ser inferior a 250 mm ni a ocho veces su diámetro, ni el largo del hilo bajo la tuerca inferior a 75 mm.
En equipos importantes y en estructuras de grandes equipos suspendidos, se deben usar pernos de gran capacidad de deformación dúctil, fácilmente reparables y que se pueden eventualmente reemplazar.
25
CAPÍTULO 3
CALCULO ESTRUCTURAL DE LA VIGA PRINCIPAL TI PO CAJÓ N
Las vigas principales de los puentes grúas pueden ser de sección tipo cajón
porque poseen un peso propio reducido, son robustas, de calidad
uniforme y presentan una alta rigidez y resistencia a la torsión. Esta óptima sección propuesta cuyo análisis de las cargas internas se base en un modelo matemático, la cual son diseñados utilizando el manual de construcciones con acero del AISC, la norma CMAA 74 y la bibliografía N° 1 (El Proyectista de Estructuras Metálicas, Tomo 1), también pueden ser verificados con software de ingeniería basada en el Método de los Elementos Finitos.
Concepto Estructural. Existen dos tipos de puente grúa tipo cajón: de una viga, llamado tipo monorriel que será diseñado en este trabajo y de dos vigas llamado birriel que son para mayores cargas. Esta viga puente en los dos casos se pueden fabricar con rigidizadores transversales que son tipo diafragmas que le dan resistencia a la torsión y rigidizadores longitudinales que son ángulos que le dan mayor resistencia a la flexion. En ambos extremos están conectadas a los carros testeros y todo este conjunto están sobre la viga carrilera o vía de rodadura.
27
La descripción del cálculo estructural, corresponde básicamente en hacer el cálculo de su resistencia mecánica y el cálculo de la estabilidad de la viga tipo cajón.
El cálculo de la estabilidad de las estructuras, revela la capacidad de las estructuras de conservar las posiciones dadas y las formas de equilibrio adquirido en estado deformado.
El cálculo de la resistencia mecánica de las estructuras, asegura su resistencia a las cargas efectivas.
Determinación de par ámetros para el cálculo estr uctur al de la viga tipo cajón. Tabla 3.11 Presión de una rueda en carros de puente grúa
Tabla 3.12 Coeficiente de choque
28
Tabla 3.13 Coeficiente de compensación
Car gas de diseño par a un puente monor r iel
-
Carga Muerta: Peso propio de la viga:
w = 276,6 kg/m
-
Carga de Izaje:
Q = 10 000 Kg
-
Peso del polipasto y carro
-
Distancia entre los ejes de las ruedas del carro: a = 1 000 mm
-
Servicio de Intensidad moderada clase “C” (tabla 1.2), equivalente al
K = 1 000 Kg
grupo II (tabla 1.1). -
Coeficiente de choque o percusiones: φ = 1,1 (tabla 3.12)
-
Coeficiente de compensación
-
Luz de la grúa puente:
L = 19 600 mm
-
Presión de la rueda del carro:
P = 7 000 Kg. (tabla 3.11)
-
Flecha Admisible:
fa
=
L 888
ψ
= 1,4 (tabla 3.13)
(CMAA 74 - 5.5.5)
Esta fórmula es usada cuando la viga principal es fabricada con contra flecha, y esta será igual a la flecha producida por la carga muerta ( f 2 ), mas la mitad de la flecha producida por la carga nominal ( f 1 /2).
29
-
Para el cálculo de las cargas verticales y horizontales se tomó como referencia la bibliografía Nº 1: “El Calculista de Estructuras Metálicas”
Cargas verticales: Momento flector máximo debido a la carga móvil:
M f1
=
P 2 xL
2
a L − ; cuando.a < 0,586 L 2
Re emplazando : 1000 M f1 = 19600 − 2 x19600 2 7000
2
=
65144643.Kg
− mm..........(1)
Momento flector máximo debido al peso propio de la viga:
Mf2
=
xL2 8
Re emplazando :
Mf2
=
0,2762 x19600 2 8
= 13263124.Kg − mm..........(2)
Momento flector máximo debido al peso propio del mecanismo de traslación:
Mf3
=
KxL 4
Re emplazando :
Mf3
=
1000 x19600 4
=
4900000.Kg
− mm..........(3)
30
Car gas horizontales: Momento flector máximo debido a la carga móvil:
Mf4
=
M f1 14
Re emplazando :
Mf4
=
65144643 14
=
4653189.Kg
− mm..........( 4)
Momento flector máximo debido al peso propio de la viga:
Mf5
=
Mf2 7
Re emplazando :
Mf5
=
13263124 7
= 1894732.Kg − mm..........(5)
Momento flector máximo debido al peso propio del mecanismo de traslación:
Mf6
=
Mf3 7
Re emplazando :
Mf6
=
4900000 7
=
700000 .Kg
− mm..........(6)
31
Figura3.1 Sección de la viga tipo cajón par a el cálculo de Ixx´
Tabla 3.14 Pr opiedades geométr icas par a el cálculo del momento de inercia, r especto al eje neutr o xx’ (Steiner )
32
Calculo del momento de inercia r especto al eje neutr o xx´: Ixx´ Determinación del eje neutro xx´:
Y1
=
∑ A xY ∑A i
i
T
=
15349423 31793
=
483.mm ⇒ I xx´
=
∑ A xY i
i
2
+
∑I −∑ A c
T
Reemplazando datos tenemos:
I xx´
= 11666504193 + 1040691282 − 31793x 483
2
= 5296553846.mm
Calculo del momento de inercia r especto al eje y: Iy
Figura 3.2 Sección par a el cálculo del Iy
2
xY12
33
Tabla 3.15 Calculo del momento de inercia r especto al eje Y
Determinación del eje neutro (Steiner):
X1
=
∑ A xX ∑A i
i
=
0
i
Momento de inercia respecto al eje y: Iy
Iy
=
∑ A xX i
2 i +
∑I
c −
AT xX 12
Reemplazando datos tenemos:
Iy
=
2438010 + 208278 − 31793x 0 = 594396414.mm 4
En conclusión tenemos: I xx´
Iy
5296553846.mm 4
= 594396414.mm
4
Módulo de elasticidad del acero estructural ASTM A-36:
E
=
=
21000.Kg / mm
2
Esfuerzo de fluencia del acero estructural ASTM A-36: y =
25,31.Kg / mm 2
34
3.1.- Cálculo y verificación de la estabilidad Flecha debido a la car ga móvil: f1
=
P (L 48I xx´ E
[
Pb 3 L 2 − (L 24 EI Donde : a + 2b = L f1
(
=
2
− a ) 3L − ( L − a )
−b
2
]
)2 ).....(tabla.3 − 23.9 AISC )
Re emplazando :
f1
7000
=
48 x5296553846x 21000 ⇒ f 1 = 19,67.mm
[
(19600 − 1000) 3x19600 2
− (19600 − 1000)
Flecha debido al peso pr opio uniforme de la viga principal f2
=
5wL 4 384 EI
.....(tabla.3 − 23.1. AISC )
Re emplazando :
f2
5 x 0,2762 x19600 4
=
384 x 21000 x5296553846
⇒ f2
=
4,77.mm
Flecha producido por el mecanismo de traslación K KL3 .....(tabla.3 − 23.7. AISC ) f3= 48 EI Re emplazando : f3
1000 x196003
=
48 x 21000 x5296553846
= 1, 41.mm
Calculo de la flecha admisible, par a la viga con contr a flecha Para este caso sólo se consideran las cargas vivas.
fa
=
L 888
=
19600 888
=
22,10.mm
⇒ f 1 + f 3 = 19,67 + 1,41 = 21,08.mm. < . f a
=
22,1.mm.........OK
2
]
35
Calculo de la contra flecha para la fabricación de la viga principal f1
f2
+
2
=
19,67 2
+ 4,77 = 14,6.mm.....(CMAA.74 − 3.5.5.3)
Esta contra flecha estará indicada en plano de fabricación.
3.2.- Cálculo y verificación de la resistencia mecánica (bibliografía Nº 1) Esfuerzo de tensión debido a las car gas verticales: =
(
.( Mf 2
.Mf 1 ).
+ Mf 3 ) +
..........................(7)
Ix = 567.mm.(
figura.3.1)
= 1,1.(tabla.3.12) = 1, 4.(tabla.3.13)
Reemplazando (1), (2) y (3) en (7) tenemos: =
((1,1)(13263124 + 4900000) + 1,4 x 65144643)(567) 5296553846
= 11,9.Kg / mm
2
< 0,6
y =
15,18.Kg / mm 2 ........O.K .
Esfuerzo de tensión debido a la s cargas verticales y horizontales. =
=
(
.( M f 2
+
.M f 1 ).
Mf3 ) + I xx´
+
(M f 4 + M f 5 + M f 6 ). Iy
......(8)
210.mm.( figura .3.2)
Reemplazando σ, (4), (5) y (6) en (8) tenemos: ( 4653189 + 1894732 + 700000).210
T = 11,9 +
594396414
= 11,9 + 2,6 = 14,5.Kg / mm
T ≤
0,6
CMAA.74 − 3.4)
y(
2
<
0,6
Kg / mm 2 ........ O .K .
y = 15,18.
36
Vista del montaje de un pu ente grúa
36
RECOMENDACIONES Y CONSIDERACIONES
1. Debido a la particularidad de la edificación, de tener cargas móviles, el diseño debe considerar diversas posiciones del puente grúa, de manera de determinar la ubicación crítica. En este caso en particular, la posición crítica para el análisis por desplazamientos horizontales se obtiene cuando el puente grúa se encuentra en el paño central (entre ejes) de igual manera para el cálculo de las vigas carrileras. Para el diseño de las columnas la posición crítica del puente es cuando trabaja al eje de un pórtico obteniéndose esfuerzos máximos.
2. Por lo anterior, las fuerzas sísmicas generan una torsión importante, por lo que la edificación debe analizarse como una estructura irregular.
3. En la mayoría de normas extranjeras para diseño estructural no especifican los límites de desplazamientos para este tipo de estructuras quedando a criterio del diseñador.
4. Para este diseño se consideró un desplazamiento máximo de 0,004 (H/250), según norma europea EC3.
37
5. Por las características del suelo (regular a bueno), en el diseño se consideró que las columnas transfieren momentos a la cimentación, lo cual ayuda a reducir las deformaciones.
6. Considerando que esta edificación tendrá cargas elevadas importantes, y que personas laborarán debajo de ellas, se ha empleado un factor de uso “U” de 1,3.
7. El acero estructural debe tener en el ensayo de tracción una meseta pronunciada de ductilidad natural con un valor del límite de fluencia inferior a 0,85 de la resistencia a la rotura y alargamientos de rotura mínimos de 20% en la probeta de 50 mm. Soldabilidad garantizada según AWS. Tenacidad mínima de 27 Joules a 21°C en el ensayo de Charpy según ASTM A6. Límite de fluencia no superior a 460 Mpa.
8. Las soldaduras sismorresistentes a tope deben ser de penetración completa con electrodos de tenacidad mínima de 27 joules a -29°C en el ensayo de charpy según ASTM A-6.
9. Las diagonales en “X” se deben conectar en el punto de cruce. Dicho punto se podrá considerar fijo en la dirección perpendicular al plano de las diagonales para los efectos de determinar la longitud de pandeo de la pieza, cuando una de las diagonales sea continua.
38
10. Los pernos de alta resistencia se deben colocar con la pretención indicada para uniones de deslizamiento crítico (70 % de la resistencia en tracción para los pernos A 325 y A 490). No obstante, la resistencia de diseño de las uniones empernadas se pueden calcular como la correspondiente a uniones tipo aplastamiento. Las superficies de contacto se deben limpiar con rodillo mecánico, arenado o granallado; no se deben pintar, pero es aceptable el galvanizado.
39
CONCLUSIONES
1. En la tabla 2.3 A se muestran los desplazamientos máximos del análisis dinámico de aceleración espectral, esto fue considerado en el nivel de las vigas carrileras (Z = 9,5 m) donde todos los puntos tienen desplazamientos menores a 0,004 indicando de esta manera que se cumple la filosofía del diseño sismorresistente que son: evitar pérdidas de vida; asegurar la continuidad de los servicios básicos y minimizar los daños a la propiedad.
2. En el diseño de las columnas laterales a carga axial y flexión según la ecuación H1-1a del manual del AISC capítulo H se obtuvo 0,72 siendo este valor menor al máximo permisible de 1; indicando de esta manera que las columnas pueden trabajar sin problemas con cargas efectivas. De igual manera en el cálculo de las columnas frontales se obtuvo 0,1 siendo este valor menor a 1 garantizando de esta manera el diseño estructural de la columna frontal.
3. En el capítulo 2, se diseñó la plancha base de las columnas obteniéndose un valor de 40 mm, siendo este bastante conservador, garantizando así que este elemento trabajará sin ningún problema.
40
4. La rigidez de la edificación está asegurada en la dirección del eje “Y”, por el arriostramiento tipo “X” colocado entre columnas intercalado, obteniéndose desplazamientos horizontales menores en comparación a los desplazamientos producidos en la dirección del eje “X”, donde la rigidez está definido por la columna W16”x45 Lb/pie trabajando con el eje fuerte.
5. El presente trabajo muestra que el cálculo de la resistencia mecánica de la viga principal tipo cajón, da como resultado un esfuerzo de tensión total de 14,5 Kg/mm2, siendo menor al esfuerzo de tensión admisible del acero A-36. Asegurando de esta manera el diseño estructural de la viga principal del puente grúa, cuando es sometida a cargas efectivas.
6. El presente trabajo muestra que el cálculo de la estabilidad de la viga principal del puente grúa, da como resultado una flecha de 21,08 mm, siendo menor a la flecha admisible máxima de 22,1 mm, por lo cual nos asegura la capacidad de la viga principal del puente grúa, para conservar sus posiciones iniciales y las formas de equilibrio adquirido en estado deformado.
7. La selección de la viga principal de un puente grúa dependerá de la carga máxima a izar, de la luz del puente grúa (distancia entre vigas carrileras) y también de los momentos de inercia del perfil a seleccionar (distribución del área respecto a un eje neutro horizontal y a un eje de simetría vertical).
41
8. El buen funcionamiento de un puente grúa, no solamente depende del diseño, sino también de otros factores como son: La fabricación (soldadura, protección anticorrosiva, etc.) y el montaje.
42
BIBLIOGRAFÍA
1. El Proyectista de Estructuras Metálicas de R. Nonnast - Volumen 1 vigésimo primera edición. 2. Norma de la Sociedad Americana de Fabricantes de Grúa, CMAA 74 – 2010. 3. Manual del Instituto Americano de Construcciones con Acero (AISC 2005). 4. Design Examples, version 13,0 del AISC 5. Reglamento Nacional de Edificaciones de Perú – 2009. 6. Norma Chilena Oficial NCh 2369.of2003; Diseño Sísmico de Estructuras e Instalaciones Industriales; primera edición 2003. 7. Grúas de Emilio Larrode – Antonio Miravete 1° edición 1996.
ISOMÉTRICO DE NAVE INDUSTRIAL
ELEVACIÓN PARTE LATERAL
ELEVACIÓN PARTE FRONTAL
