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Facultad de Ingeniería Mecánica
Estructuras Metálicas
Proyecto Final
Tema: Diseño estructural de un puente grúa tipo
Integrantes: Santiago Morales César Silva
Semestre: Noveno
Fecha de entrega: sábado 15 de enero de 2011
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ÍNDICE DE CONTENIDO
CAPÍTULO I 1.1. Introducción Introducción .....................................................................................................3 ............................................................................. ........................3 1.2 Planteamiento Planteamiento del problema..............................................................................3 1.3 Objetivos Objetivos ................................................................................. ...........................................................................................................4 ..........................4 1.3.1 Objetivo Objetivo general .........................................................................................4 ................................................................ .........................4 1.3.2 Objetivos Objetivos específicos específicos ..................................................................................4
CAPÍTULO II 2.1 Fundamentos Fundamentos de los puentes grúa ....................................................................4 2.2. Concepto................................................................................................ Concepto..........................................................................................................5 ..........5 2.3 Características Características y tipos de puentes grúa ............................................................5 ................................ ............................5 2.3.1 Puente grúa monorriel ................................................................................5 2.3.2 Puente Puente grúa birriel ......................................................................................6 ............................................................................ ..........6 2.3.3 Puente Puente grúa pórtico ....................................................................................6 .......................................................................... ..........6 2.3.4 Puente grúa semipórtico semipórtico .............................................................................8 2.4 Partes del puente grúa ......................................................................................8 2.4.1 Viga .................................................................................. ............................................................................................................9 ..........................9 2.4.2 Testero .......................................................................................................9 2.4.3 Motores de movimiento movimiento general................................................................10 2.4.4 Mandos de puente grúa ............................................................................10 2.4.5 Polipasto Polipasto ............................................................................................... ...................................................................................................11 ....11 2.4.6 Línea de alimentación alimentación ...............................................................................11 2.4.7 Gancho ............................................................................................... .....................................................................................................12 ......12
CAPÍTULO III. 3.1 Procedimiento de diseño……………………………………………………………13
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Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas 3.2 Diseño de Columnas ………………………………………………………………..13 3.2.1 Identificación de las cargas que intervienen en el problema …………..…13 3.2.1.1 Carga W ………………………………………………………………… 15 3.2.1.1.1 Carga muerta WM ………………………………………………… .15 3.2.1.1.2 Carga viva WV ………………………………………………… ..…20 3.2.1.2 Carga de Sismo
WSS
………………………………………………… ...20
3.2.2 Diseño de la columna principal (elemento c fig. 1)……………………… .22 3.2.2.1 DCL del pórtico………………………………………………………….23 3.2.2.2 DCL de la columna………………………… columna………………………………………………… ………………………… …..25
3.2.3 Diseño de la columna secundaria (elemento b fig. 1)…………………… ..…30 3.2.3.1 DCL general del pórtico sin las columnas base……………………… .30
3.2.3.2 DCL de la columna……………………………………………………… .31 3.3 Diseño de la placa base para la columna principal inferior………………… ..…35
3.4 Diseño de la sección inclinada ……………………………………………………..39 3.5 Diseño de cimentaciones …………………………………………………………...46 3.5.1 Cálculo………………………………………………………………………….49 3.5.1.1 Diámetro mínimo de los pernos ……………………………………….50 3.5.1.2 Determinación de la longitud efectiva del perno ……………………..51 3.5.1.3 Esfuerzo de adherencia ………………………………………………...52 3.5.1.4 Longitud total del perno ………………………………………………...53 3.5.1.5 Longitud del ala del perno …………………………………………...…53 3.5.2 Determinación del ala del perno …………………………………………… ..53 3.6 Diseño de la viga carrilera ………………………………………………………….54 3.7 Diseño final del pórtico ……………………………………………………………...58 ANEXOS………………………………………………………………………………….62
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DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA TIPO CAPITULO I 1.1. Introducción. A nivel industrial se utiliza ampliamente el puente grúa, el cual es un equipo que ofrece levantar y trasladar cualquier material o equipo con gran facilidad. Es un tipo de aparato de elevación compuesto por una viga, simple o doble, biapoyada sobre dos carriles elevados sobre unos postes, dispuestos sobre una estructura resistente. El movimiento longitudinal se lleva a cabo mediante la translación de la viga principal o puente a través de los carriles elevados. En la práctica totalidad de los casos, la rodadura es por ruedas metálicas sobre carriles también metálicos. El movimiento transversal se realiza mediante el desplazamiento de un polipasto o carro sobre uno o dos carriles dispuestos sobre la viga principal. El movimiento vertical se ejecuta a través del mecanismo de elevación: polipasto o carro.
1.2 Planteamiento del problema. Los países en desarrollo requieren de un aparato productivo que pueda satisfacer las necesidades de la industria en sus diferentes áreas. Una de estas áreas es la metalmecánica, la cual apoya y aporta al desarrollo productivo de sectores estratégicos tales como el petrolero, la construcción, la minería, etc. Por lo tanto, es fundamental el aporte que pueda brindar la universidad a la industria metalmecánica mediante el desarrollo del presente proyecto, el mismo que será una herramienta que pueda utilizar el empresario que desee montar una industria metalmecánica. Al aplicar las normas y estándares internacionales en este tipo de estructuras, el prototipo diseñado cumplirá con los requerimientos de seguridad y funcionalidad de la industria metalmecánica.
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Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas Los resultados obtenidos con el estudio permitirán al empresario tener una herramienta que pueda utilizar para realizar un proyecto metalmecánico. Las características de la instalación donde operara nuestro diseño es considerado tomando en cuenta las prestaciones actuales y las mejoras que requieren las industrias locales, dicha información se halla contenida en el anexo #1.
1.3 Objetivos. 1.3.1 Objetivo general. Diseñar un puente grúa tipo, para una industria metalmecánica.
1.3.2 Objetivos específicos. Desarrollar la industria metalmecánica lo cual genera ventajas al aparato productivo del país. Obtener el diseño de un sistema estructural que sirva de base para las necesidades de infraestructura de una industria metalmecánica. Minimizar los tiempos de fabricación y montaje. Satisfacer las necesidades del sector productivo mediante la implementación del puente grúa tipo.
CAPÍTULO II 2.1 Fundamentos de los puentes grúa En el campo industrial, para el manejo de materiales en tarimas conviene un transporte propio y específico, como podría ser el montacargas. Pero algunos trabajos de manejo de material no pueden llevarse a cabo con tal vehículo. Cargas más grandes, más pesadas y/o más incomodas requieren la versatilidad de una grúa, especialmente si el recorrido de transporte es complicado.
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2.2 Conceptos. La grúa es una herramienta de la industria de la construcción, también utilizada para la elevación y transporte de carga que, instalado sobre vías elevadas permite a través de su elemento de elevación (polipasto) y de su carro, cubrir toda la superficie rectangular entre la que se encuentra instalado.
2.3 Características y tipos de puentes pu entes grúa ya existentes. Los puente grúa son aparatos destinados al transporte de materiales y cargas en rangos de 1-500 Tm. Por medio de desplazamientos verticales y horizontales en el interior y exterior de industrias y almacenes. Consta de una o dos vigas móviles sobre vigas carrileras, apoyada en columnas, a lo largo de dos dos paredes opuestas al edificio rectangular.
2.3.1 Puente grúa monorraíl. El puente grúa monorraíl está constituido por una viga y es una solución eficaz para mover cargas cuando resulta necesario aprovechar toda la altura disponible del local y el edificio no es extremadamente ancho.
Los puentes grúa de este tipo disponen de doble velocidad en todos los movimientos (elevación,
traslación del carro y traslación del puente) y están
equipados con polipastos como se muestra en la figura 01 .
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Fig. 01. 01. Puente grúa monorraíl. 2.3.2 Puente grúa birriel. Consta de doble viga donde se apoya el carro que sustenta el polipasto figura 02. Este modelo permite alcanzar la máxima altura del gancho. Es ideal para cargas elevadas o naves con luz media o grande. La capacidad total de carga puede alcanzar 500 Tm.
Fig. 02. Puente grúa birriel. 2.3.3 Puente grúa pórtico. Puede monorriel o birriel y se diferencia de las anteriores por que la o las vigas están conectadas fijas al pórtico y el mismo pórtico el que se traslada a lo largo de la instalación, esto se puede observar en la figura 03 mostrada a continuación.
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Fig. 03 Puente grúa pórtico. 2.3.4 Grúas semipórtico. Es una estructura que desde un lado tiene una perspectiva de puente grúa y desde el otro es un puente monorriel o birriel. En uno de los lados consiste en una serie de columnas fijas u por el otro en columnas móviles que va fija a la viga de carga. La función de la columna móvil es la de desplazarse a la misma altura de la carga a través de un riel que se encuentra sujeto al suelo, observar figura 04.
Fig. 04 Puente grúa semipórtico. 2.4 Partes de un Puente Grúa. -7-
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En la figura XX mostrada a continuación se presentan los componentes típicos de un puente grúa.
Fig. 05 Partes de un Puente Grúa Monorriel 1. Armario traslación
12. Soportes protección mangueras
2. Armario del polipasto
13. Botonera con conector
3. Final carrera de elevación
14. Soportes de las mangueras
4. Brazo arrastrador alimentación del carro
15. Empalme perfil
5. Soporte fijación
16. Soporte deslizante
6. Carritos
17. Soporte para conducción cable
7. Motor longitudinal
18. Limitador de carga
8. Brazo tomacorrientes
19. Final carrera de traslación carro
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Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas 9. Armario traslación
20. Tope accionamiento final carro.
10. Final carrera traslación puente
21. Radio (opcional).
11. Tope final
22. Topes en carro en mono viga.
A continuación se detalla las partes principales que comprende el puente grúa.
2.4.1 Vigas. Es el miembro principal de carga, constituido por perfiles estructurales cargados transversalmente al eje de la viga generando esfuerzos de flexión. Ver figura 06
Fig. 06 Vigas de un Puente Grúa 2.4.2 Testeros. Son carros de traslación que mueven la viga principal del puente a lo largo de su corredera. Ver figura 07
Fig. 07 Testeros.
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2.4.3 Motores de movimiento longitudinal. Como se puede ver en la figura 08 los motores aportan con la energía motriz a los testeros para mover el puente grúa en su movimiento longitudinal a lo largo de la carrilera.
Fig. 08 Motores de Movimiento Longitudinal 2.4.4 Mandos de puente grúa. Son utilizados para el manejo del puente. Están constituidos por una serie de botones los cuales permiten el traslado adecuado de la carga ya sea horizontal o verticalmente y los movimientos de los carros del puente. Los mandos lo puede realizar una persona desde el piso o desde la cabina de control si es que el puente lo tiene. Ver figura 09 09..
Fig. 09 Mandos de Puente Grúa desde piso o cabina. - 10 -
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2.4.5 Polipasto. Constituye el componente que está sujeto a la viga principal del puente el cual es utilizado para elevar cargas desde. Existen elementos que pueden adicionarse como: gancho de suspensión, carro de traslación manual o eléctrica, cable botonera más largo, cadena, transmisión eléctrica con línea de arrastre o deslizante, botonera de mando desplazable. Ver figura 10
Fig.10 Polipasto 2.4.6 Línea de alimentación. Constituyen todos los cables que energizan los motores de movimientos de los carros y el motor de elevación de carga.
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Fig. 11 Cables de Alimentación. 2.4.7 Ganchos. El cancho es el elemento al que se acopla a la carga. Ver figura 12.
Fig. 12 Gancho.
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CAPÍTULO III 3.1 Procedimiento de diseño. El procedimiento de diseño estructural consiste: a) Determinación de los parámetros parámetros funcionales. b) Selección del tipo de estructura. estructura. c) Determinar las cargas que actúan sobre ella. d) Determinación de los momentos y fuerzas internas en los componentes estructurales. e) Selección del material y dimensiones de los miembros y conexiones para logara seguridad y economía. f) Revisión del comportamiento de la estructura en servicio. g) Revisión final. h) Establecimiento del protocolo de pruebas.
3.3 Diseño de Columnas.3.2.1 Identificación de las cargas que intervienen en el problema: Diagrama del cuerpo libre general
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Fig. 13 Esquema general de las cargas Análisis del ancho colaborante Ac:
Fig. 14 Especificación del ancho colaborante para el análisis del pórtico Determinación de la geometría faltante del problema: A
10 / cos15
10, 35 353 m
, longitud de la viga inclinada d
a si sin15 n15
2,67 ,679 m
, altura desde el final de B hasta el tope de la estructura
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3.2.1.1 Carga W Representa la suma de la carga muerta WM y la carga viva WV W
WM
WV
3.2.1.1.1 Carga muerta WM WM
WPP
WS
Donde: WPP es la carga de peso propio WS es la carga de seguridad
a. Carga de peso propio WPP WPP
WX
WY
WZ
W'
Donde WX es el peso de la estructura (del pórtico) WY es el peso de los canales entre los perfiles A y la cubierta de acero WZ es el peso de la cubierta de acero
W ' es el peso del conjunto puente grúa
a.1) Peso de la estructura WX No sabemos los perfiles que se usan, eso es lo que estamos determinando Asumimos que los elementos A, B y C (fig. 01) corresponden a perfiles W18x40 que son los que se planean usar para el cálculo de las columnas.
Del manual de la AISC: W18x40 → A Densidad del acero estructura A36 →
11,8 in 2
7,61 ,613E 3 m 2
7850 Kg
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m3
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas WX
7, 613E 3
2a 2b 2c
7850
WX
7, 61 613E 3
2 10, 35 353 2 1, 5 2 4, 5
WX
1871 1871,628 ,628 kg
7850
a.2) Peso de los canales WY Se considera poner 14 canales tipo C 150x50x3 para el acople entre los perfiles A y la cubierta.
Fig. 13 13 Geometría Geometría del perfil perfil C que se quiere usar Ay
2(50 3) 3) (144 3) 3)
Ay
7,32 ,320E 4 m2
WY
AY
A C 7850
mm2
7, 32E 4 6 7850
34, 477 kg
a.3) Cubierta WZ Para la cubierta nos basamos en un tiempo de cubierta “duratecho” de la casa
fabricante NOVACERO.
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Fig. 14 Propiedades del “duratecho”
WZ "
WZ
2,17
kg
1 2
m
2 2,17 AC a
269, 592 kg
a.4) Peso del puente grúa W ' DCL del puente grúa en posición extrema:
Fig. 15 DCL del puente grúa con el motor y polea en el extremo
1
http://www.novacero.com/ws/novacero/novacero.nsf/paginasc/56183406A14601558825715D00837E75?O penDocument
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Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas Fy W'
0 RA RB
WC
Pero para la posición extrema:
RA
RB, RB, se puede despreciar despreciar entonces entonces el efecto efecto de RB
W ' RA Wc
Lateral en X:
Fig. 16 DCL en la sección lateral del puente Fy
RA
0
2 RMAX
Por objeto de estudio consultamos la casa fabricante de puente grúa ABUS
2
Consideramos un puente grúa birrail ZLK con una luz de 20 m y capacidad de carga de 5 T (5 kg).
2
http://www.construnario.com/diccionario/swf/27163/@@@@Puentes%20gr%C3%BAa/Informaci%C3%B3n %20general%20de%20dise%C3%B %20general%20de%20dise%C3%B1o%20puentes%2 1o%20puentes%20gr%C3%BAa.p 0gr%C3%BAa.pdf df
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Tabla N° 1. Propiedades del puente grúa birrail ZLK RMAX se refiere a la reacción máxima en la en el apoyo del puente con la viga carrilera cuando el puente está en posición extrema y cargado. RA
2 39,6 KN 79,2 KN
W'
79, 2 KN
W'
1000N kg 5000kg KN 9, 8N
3081 3081,633 kg
Por tanto: WPP
WX
WY
WZ
W'
WPP
1871 1871,628 ,628 34,47 34,477 7 269 269,592 ,592 3081 3081,633 ,633 kg
WPP
5257,33 ,33 kg
b. Carga de Seguridad WS - 19 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas Según la tesis de Guerrero, “Normalización de estructura s metálicas tipo puente grúa”, se tiene
20 kg
WS '' WS WS
m2
20 2A 2A A C Kg
20
2 10 10, 353
6
2484, 72 kg
WM
WPP
WM
5257 5257,3 ,33 3 2484 484,72 ,72
774 7742,05 ,05 Kg
Finalmente: WS
3.2.1.1.2 Carga viva WV La única en consideración es la carga de granizo
a) Carga de granizo WG Es 100 kg
m2
, considerando:
Capa de granizo en el peor de los casos 10 cm La peor condición de lluvias y granizadas en Quito en el cordonazo de San Francisco. Densidad del granizo de 0,7 kg WG
100 kg
WG
100 2 10,35 ,353
m2
l
2A AC 6
12423,6 kg
3.2.1.2 Carga de Sismo WSS
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Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas Nota importante: para el cálculo de la carga de sismo nos basamos en lo que dice el código ecuatoriano de la construcción (CEC) 3
WSS
CORTE BASAL V
Z I C R P E
Donde: Z es el factor de zona sísmica, Z
0, 4 , debido a que Quito es una zona de alto
riesgo sísmico (pág. 22, tabla 1, CEC) I es el factor de importancia, I 1,0 , debido a que nuestra estructura no está
especificada en el listado de la norma (pág. 27, tabla 4, CEC) C es el factor de conducción de onda del suelo C
1,25 SS T
Donde: S es el coeficiente del suelo, S 1,2 , en Quito se tiene un suelo tipo Congagua que se clasifica como suelo intermedio. T es el período de vibración (pág. 13, método 1, CEC) T
CT hn3/ 4
Donde: hn hn
es la altura básica de la edificación medida desde la base,
4,5 1,5 2,67 ,679 CT
8,67 ,679 m
0, 09 para pórticos de acero
T
0, 09 8, 67 679 0,75
C
1, 25 1, 21,2 0,46
0, 46 46
3, 382
R es el factor de reducción de respuesta estructural (RW en el SAP 2000), 3
http://www.disaster-info.net/PEDSudamerica/leyes/leyes/sura Sudamerica/leyes/leyes/suramerica/ merica/ecuador/otranorm/ ecuador/otranorm/Codigo_Ecuatoria Codigo_Ecuatoriano_Construccion.pdf no_Construccion.pdf
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Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas 7 (pág. 31, tabla 7, CEC)
R
P
P
es el coeficiente de configuración estructural de la planta PA
PB
Donde: PA
es el mínimo valor de
Pi
dado en la pág 29, tabla 5, CEC.
PA
1,0
,
debido a que no existen irregularidades en nuestra estructura. 1,0
PB
de
igual
manera
porque
no
existen
irregularidades
en
la
configuración de nuestra estructura. 1,0
P
E
es el coeficiente de configuración estructural en elevación (pág. 30, tabla 6,
CEC) E
EA
EB
EC
1,0 de igual manera debido a que no hay irregularidades en nuestra
E
estructura.
WSS
0,4 1,0 3,382 5257, 33 7 1,0 1,0
WSS
0,193 5257,33 ,33 kg
WSS
kg
1016,01 ,017 kg
Finalmente: W q
WM W 20
WV
7742,05 ,05 12423,6
20165,65 ,65 kg
1008, 283 kg / m
3.2.2 Diseño de la columna columna principal (elemento c fig. 1) - 22 -
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3.2.2.1 DCL del pórtico
Fig. 17 DCL del pórtico en general WT
5 1, 3
6, 5T , lo que representa una condición de seguridad por si existe una
sobrecarga del 30% del puente grúa. Fx R1x
Fy
0 WSS
1016,01 ,017 kg
0
R1y R2 R 2y
W
WT
0
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Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas R1y R2y R2y
2016 20165 5,65 6500 6500 2666 26665 5,7 kg
M1 0 WSS 6 W 10 10 W C X R2 R2y 20 20
0
Determinar la distancia X.- Para esto asumimos que se desea colocar: Una columna principal (C) W18x71de 4,5 m Una columna secundaria (B) W12x35 de 1,5 m Se coloca una viga carrilera de asiento para el puente grúa W12 x 35 Se coloca una ménsula de 100 x 100
Se muestra esto en el siguiente gráfico:
Fig. 18 Aproximación geométrica de cómo será el extremo del puente grúa
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Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas No conocemos la configuración del puente grúa por lo que no es posible determinar esta distancia X. Sin embargo con una aproximación gráfica se puede decir que la distancia es de 50 cm.
R2 y
1016 016,017 ,017 6 20165 0165,65 ,65 10 6500 500 0,5 20
R1y
2666 26665 5,7 1055 10550 0 1611 16115 5,6 kg
10550 kg
3.2.2.2 DCL de la columna
Fig. 19 DCL resultante de la columna inferior principal M MC M
MSS
6500 6500 0,5 1016 1016 1,5
4774 4774 kgkg-m
RT 1611 16115 5,6 6500 6500 2261 22615 5,6 kg
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Diagramas de cortante y momento flector.- Nos valemos del programa SAP 2000
Fig. 20 Diagrama de Cortante y Momento Flector De los análisis del SAP se determina que el momento máximo es de: Mma Mmax
9346 kgf
m
Análisis con carga P equivalente Peq
Peq P 0,2M ,2M
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Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas P
klb
M
klb in
Peq
22615, 6 kg
2, 2046lb kg
0, 2 9346 kg m
2, 2046lb kg
in 0, 0254m
Peq 212,1 212,1 klb
Diseño de la columna
Vamos a realizar un procedimiento de prueba y error.Material: Acero A572
Propiedad
Valor
Sy
50 ksi
Su
65 ksi
E
2100000 kg/cm 2
Tabla N° 2.- Propiedades Propied ades del acero A572 fa (real) (real) Fa (admis (admisibl ible) e) Fa
0,55 Sy 27,5 27,5 ksi ksi
P A
Fa
A
P Fa
212,1 27, 5
7, 71 in2
Del manual de la AISC observo que si fue válido haber escogido un perfil W18x71 (pág. 1-13)
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Propiedad
Valor
A (transversal)
20,8 in 2
Ixx
1170 in 4
Iyy
60,3 in 4
rxx
7,50 in
ryy
1,70 in
Tabla N° 3.- Propiedades del perfil W18x71 Se asume que la rigidez de la columna base inferior (elemento C) debe ser mayor en un 50% a la rigidez de la columna secundaria superior (elemento B). EIC
1,5 EIB
Determinación del factor de esbeltez de la columna LK rmin
rxx es el rmin por que ese es el plano donde va a trabajar el elemento (se flexiona). K se determina a partir de G1 y G2
G1 = 1,0 el final de la columna es rígidamente anclado
G2
G2
Ic Lc Ib Lb 1,5 I 4,5 I 1,5
columna inferior columnasuperior
0, 5
Con los valores de G1 y G2 se calcula K mediante el nomograma de la pág. 5-125
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Por tanto: 4, 5 m
in 1, 25 0,0254m 7,50 in
Ahora bien con Sy = 50 ksi y Fa
30,71 ,71
31
= 31 en la pág. 5-75 determino Fa
27,03 27,03 ksi ksi
Se determina determina nuevamente nuevamente fa : 212,1 kips
fa
F.S I
10, 2 ksi
20,8 in2
fa Fa
Fa fa
27,03 ,03 10, 2 10, 2 27,03 ,03
2, 65
0, 38
1
Finalmente, se ve que es correcto el escoger un perfil W18x71 para la columna base.
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3.2.3 Diseño de la columna secundaria (elemento (elemento b fig. 1) 3.2.3.1 DCL general del pórtico sin las columnas base
Fig. 21 DCL del pórtico sin columnas base Fx T1X
0 1016 1016 kg
Fy
0
T1y T2y
2016 20165 5,65 kg
M1 0 1016 1,5 20165,65 ,65 10 20 T2y T2y T2y T2y
0
1016 1016 1,5 2016 20165 5,65 10 20 1015 10159 9,03 kg
T1y
2016 20165 5,65 1015 10159 9,03 1000 10006 6,62 kg
- 30 -
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3.2.3.2 DCL de la columna
Fig. 22 DCL de la columna secundaria superior Del análisis con el SAP 2000:
Fuerza axial máxima:
Fig. 23 Fuerza axial – SAP 2000 T1y = -10006,62 (kg) = -22,061 (Kip) Diagrama de momento flector y momento máximo:
- 31 -
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Fig. 24 Diagrama de momento flector Mmax = 1524 (kg-m) = 132,277 (Kip-in) Análisis con carga P equivalente Peq
Peq P 0,2M ,2M P
klb
M
klb in
Peq Peq
22,06 22,061 1 (kip (kip)) 0,2 132 132,277 ,277 kip kip in
48,52 48,52 (Kip (Kip))
Diseño de la columna
Vamos a realizar un procedimiento de prueba y error.Material: Acero A572
- 32 -
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Propiedad
Valor
Sy
50 ksi
Su
65 ksi
E
2100000 kg/cm 2
Tabla N° 2 (repetida).- Propiedades Propied ades del acero A572 fa (real) (real) Fa (admis (admisibl ible) e) Fa
0,55 Sy 27,5 27,5 ksi ksi
P A
Fa
A
P Fa
48, 52 27, 5
1, 76 in2
Del manual de la AISC observo que si fue válido haber escogido un perfil W12x35(pág. 1-13)
Propiedad
Valor
A (transversal)
10,3 in2
Ixx
285 in4
Iyy
24,5 in4
rxx
5,25 in
ryy
1,54 in
Tabla N° 4.- Propiedades del perfil W12x35 Se asume que la rigidez de la columna base superior (elemento B) debe ser mayor en un 50% a la rigidez de la viga techo del pórtico (elemento A). EIB
1,5 EIA
- 33 -
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Determinación del factor de esbeltez de la columna LK rmin
rxx es el rmin por que ese es el plano donde va a trabajar el elemento (se flexiona). K se determina a partir de G1 y G2
G1 = 1,0 el final de la columna es rígidamente anclado (por medio de la soldadura y la placa base)
G2
G2
Ic Lc
columna superior Ib Lb
1,5 I 4,5 I 10,353
viga techo
3, 45
Con los valores de G1 y G2 se calcula K mediante el nomograma de la pág. 5-125
- 34 -
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Por tanto: 1, 5 m
in 1, 6 0,0254m 5,25 in
18
Ahora bien con Sy = 50 ksi y Fa
= 18 en la pág. 5-75 determino Fa
28,51 28,51 ksi ksi
Se determina determina nuevamente nuevamente fa : 48,52 kips
fa
F.S I
4, 71 ksi
10,3 in2
fa Fa
Fa fa
28,51 ,51 4, 71
4, 71 28,51 ,51
6, 05
0,17
1
Finalmente, se ve que es correcto el escoger un perfil W12x35 para la columna superior.
3.3 Diseño de la placa base para la columna principal inferior. El perfil seleccionado fue un W18x71, cuyas dimensiones de acuerdo con el manual de la AISC en milímetros son:
- 35 -
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Fig. 25.- Geometría del perfil W18x71
Fig. 26 Esquema del acople placa base y columna inferior principal. PT APB
F'c admisible
Donde:
PT PEquiv
se determinó anteriormente en el cálculo de la columna base, 96190 kg . Corresponde al valor que ahí se definió como la carga
- 36 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas equivalente que sería la máxima reacción ejercida por la columna a la placa base cuando el puente grúa está en posición extrema lateral y con el máximo de carga. A PB es el área de la placa base que se va a usar.
F ' c es el esfuerzo admisible del hormigón. f 'c F.S H
F'c
f ' c es el esfuerzo último del hormigón F.S H es el factor de seguridad del hormigón, se evalúa en 4 (igual o mayor).
210 kg F'c
APB
cm2
4 96190 kg 52,5 kg
52, 5 kg
cm2
1832, 20 cm2
cm2
Consideraciones: Una vez más se acude al método de prueba y error. Se parte primero en considerar las dimensiones de la sección con la cual se define unas dimensiones mayores, tomando en cuenta que también debe haber un espacio para los pernos de anclaje. Probamos una placa de 600x400 mm que tiene una buena distribución de la sección y es mayor a la mínima área calculada.
- 37 -
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Fig. 27 Geometría de vista superior de la placa base supuesta y el perfil de la columna. Mínimo espesor resultante para una placa de 600 x 400 mm Como se observa en la figura anterior, con la placa supuesta se tiene una distancia n de 6.543 cm.
Sy
50 ksi
3402,30 ,30 kg 3 52, 5 kg
Esp. min. t
cm2 2
cm
6, 5432 cm2
0,6 3402 3402,3 kg
cm2
t 1,819 ,819 cm 18, 18,19 mm 1in 1in
Por razones de disponibilidad de planchas con espesores de 1in se decide seleccionar este espesor que es mayor al calculado. Por lo tanto se tiene una buena selección de las placas bases al decir que se desea que estas sean de 600x400x25 mm - 38 -
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3.4 Diseño de la sección sección inclinada
Fig. 28 DCL del pórtico seccionado en la mitad Los datos de las reacciones y todas las fuerzas representadas ya se obtuvieron anteriormente Fy
0
R1y Wss V4y V4y q 10 10m 0
V4y 161 16115.6 15.6 6500 6500 1008 008.523 .523x x10 Fx
469 469.63 .63 kg
0
V4x 1016 1016 kg 1016 1016 kg= kg=0 V 4x
0
Aislando la sección inclinada, seccionando en el punto 2:
- 39 -
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Fig. 29 Perfil inclinado aislado Por
Fx y
Fy se tiene que:
R3x 1016 1016 kg R3y
469. 469.63 63 kg
Al principio del trabajo se había determinado todos los factores geométricos del pórtico: d 10.3 10.353 53 m x
2.679 m
Tomando en cuenta los ejes x’ y y’ que se mostró en el anterior gráfico se puede
transformar el conjunto de fuerzas mostradas al siguiente equivalente.
Fig. 30 Resultante equivalente - 40 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas Lo que constituye una combinación de flexión y tracción pero como consideramos que la carga de vienta es cíclica y mueve a la estructura de un lado para el otro, podemos considerar que en el peor de los casos este elemento puede estar a compresión y a parte a flexión. Como se vio en el estudio de las cargas combinadas cuando existe flexión y tracción el efecto de la flexión se comprensa con el de la tracción. Por tanto tomamos en cuenta el peor caso que podría llegar a pasar para analizar nuestro pórtico:
Fig. 31 Se analiza en el peor de los casos Fuerza de compresión = 1189.584 N = 0,267 Klbf
- 41 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas Diagramas de cortante y momento flector.- flector. - Valiéndonos del programa SAP 2000
Fig. 32 Diagrama de cortante y momento mo mento flector del perfil inclinado Del análisis en SAP se determina que el momento máximo es:
Mmax 120,3664 120,3664 KN-m KN-m =12271.47 Kfg-m=1065.260 Klb-in
Análisis con carga P equivalente Peq Peq
Peq P 0,2M ,2M P
klb
M
klb in
- 42 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas Peq Peq 0,267 0,2x10 ,2x1065 65.2 .260 60 213. 213.31 319 9 (Klb (Klb))
Diseño del perfil Material: Acero A572 Perfil planteado: W18X40
Propiedad
Valor
Sy
50 ksi
Su
65 ksi
E
2100000 kg/cm 2
Tabla N° N°22 repetida rep etida fa (real) (real) Fa (admis (admisibl ible) e) Fa
0,55 Sy 27,5 27,5 ksi ksi
P A
Fa
A
P Fa
213,31 ,319 27, 5
7, 757 in2
Propiedades del W18X40 en el manual de la AISC (pág. 1-13)
Propiedad
Valor
A (transversal)
11.8 in 2
Ixx
612 in 4
Iyy
19.1 in4
rxx
7.21 in
ryy
1.27 in
Tabla N° 5.- Propiedades del perfil W18x40 Se necesita mayor rigidez en el perfil inclinado debido a su longitud, por tanto se asume que su rigidez es el doble de la columna superior que es consecutiva al mismo (literal B, en la figura 13).
- 43 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas
Determinación del factor de esbeltez del perfil inclinado: LK rmin
rxx es el rmin por que ese es el plano donde va a trabajar el elemento (se flexiona). K se determina a partir de G1 y G2
G1 = 1,0 el final de la columna es rígidamente anclado (por medio de la soldadura y la placa base) Ic Lc
G2
G2
columna superior Ib Lb
I 4,5 2I 10,353
perfil techo
1.15
1.2
Con los valores de G1 y G2 se calcula K mediante el nomograma de la pág. 5-125
K=1,35
- 44 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas Por tanto: 10.353 m
in 1.35 0,0254m 7,21 in
Ahora bien con Sy = 50 ksi y Fa
76.3 76.319 19
76
= 31 en la pág. 5-75 determino Fa
19.8 19.8 ksi ksi
Se determina nuevamente fa : 213,319 kips
fa
11,8 in2
F.S I
fa Fa
Fa fa
19.8 18.078
18.078 19.8
18.078 ksi
1.095
0.913
1
Finalmente, se ve que es correcto el escoger un perfil W18x40 para el diseño del perfil inclinado del pórtico, aunque es bueno considerar que el índice de trabajo es casi cercano a 1, de todas maneras, la elección de este perfil desde el punto de vista de la esbeltez, cumple con los requisitos de diseño.
- 45 -
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3.5 Diseño de la cimentación
Fig. 33 Esquema de diseño de la cimentación La cimentación se basa en la construcción de un plinto. El plinto no es más que una columna de hormigón que va a soportar la zapata. La zapata no es más que el asiento del cimiento. Haciendo la sumatoria de fuerzas longitudinales en el perno:
- 46 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas FL
0
P F1 F2 Siendo: F1 la fuerza de compresión en el gancho del perno F2 la resultante de las fuerzas de adherencia entre el perno de anclaje y el hormigón Entonces: M do
fa a
p
H
p
L
Siendo: a el valor dato que se indica en la gráfica, está en función de la longitud de trabajo del perno de anclaje, a ≤ 5% de la longitud de trabajo del perno de
anclaje. H
fa
es la sumatoria de las fuerzas de adherencia F ' c hormigón hormigón =
f 'c F.S
resistenc resistencia ia última del hormigón hormigón
F’c es el esfuerzo admisible del hormigón
De manera que:
Diámetro del perno.-
- 47 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas
Fig. 34 Esquema del perno de anclaje ft
Ft ft
Sy F.S
Ft
1, 66
0,6 Sy P 4
Ft
P
4 Fuerza Po.-
Fig. 35 Esquema de la columna sobre la placa base Para 4 pernos de anclaje:
- 48 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas MX
2 Po do do
Para los pernos de anclaje: ISO 88, los que vienen con rosca, Sy
64 kg/mm2 y Sut
De varilla corrugada norma A-42 (INEN) Sy
4200 4200 kg/c kg/cm m2
La zapata.-
Fig. 36 Esquema gráfico de la zapata N
Po Ai
Po
N A2
F' s
f(tipo del del suel suelo) o)
F' s (esf (esfue uerz rzo o admi admisi sibl ble e del del suel suelo) o) F's= F's=
f 's F.S
Se tienen 3 tipos de suelo: Rocoso f 'c
1000 000 kg/c kg/cm m2
Limoso, en la sierra f 'c
0,1 kg/c kg/cm m2
Arenoso, en la costa y el oriente f 'c
0.05 .05 kg/c kg/cm m2
3.5.1 Cálculo de los pernos de anclaje. anclaje.
- 49 -
80 kg/mm2
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas Los pernos de anclaje ubicados sobre la superficie de la placa base se definen en un número de 8 elementos, distribuidos simétricamente para que puedan funcionar adecuadamente para cuando el momento transmitido por la columnas a la cimentación no desestabilicen el pórtico de sus bases; Así se determina el diámetro de cada perno como la longitud efectiva de cada uno de ellos.
Cuando un momento actué en la columna, la mitad de los pernos de anclaje van a soportar ese momento, así el número de pernos que trabajan a tensión son 4; La distancia entre los ejes de cada perno en el plano en que actúa el momento determina el par que permite calcular la fuerza aplicada en cada uno de los pernos.
Mx
4.P.d
d
M 4.d 520 mm mm
M
4774 kg m
P
Carga aplicada a cada perno:
P
M 4.d
4774 kg m 520 4. m 1000
2295,19 kgf
3.5.1.1 Diámetro mínimo de los pernos: El esfuerzo de fluencia para los pernos se considera de los que corresponden a los del tipo ISO 8.8 Sy
64 64 mkmg2
6400 ckmg2
- 50 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas P
ft p
4 ft
0, 6 Sy
ft
kg 0, 6(64 mm 2 )
ft
kg 38, 4 mm 2
Despejando
p
p
4P .ft
p
de la ecuación anterior se tiene:
4 2295,19kgf kgf . 38,4 mm 2
8,723mm. ,723mm. 16mm No No cumpl cumplenorma enorma
Este diámetro calculado representa el diámetro mínimo requerido para soportar la carga aplicada. Según especificaciones del Euro código EA95 menciona que no suelen emplearse pernos de diámetro inferior a 16 mm por lo que por facilidad de encontrar una varilla de un diámetro determinado en el mercado se procede a elevar el diámetro de la misma a la de 1 in.
3.5.1.2 Determinación de la longitud longitud efectiva del perno. Para determinar la longitud efectiva del perno se utiliza la siguiente relación:
P ' c
F a
FH'
Fc' .a.
p
FH' . . p .L
fc' ;Esfu ;Esfuer erzo zo real real apli aplica cadoal doal hormi hormigó gón n. FS 5% ; Ala del perno perno.. fr.F fr.Fc' ;Esfue ;Esfuerz rzo o de adher adherenc encia ia.. fr factor de adherencia. adherencia.
L :Longitudefectiva el perno. perno.
- 51 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas
' c
F
' c
F a
fc' FS
fc'
210
FS
4.
kg 210 cm 2
4 0,05L ,05L.
kg cm2
.
kg 52, 5 cm 2
3.5.1.3 Esfuerzo de adherencia. El esfuerzo de adherencia depende del tamaño del resalte de las corrugas del perno de anclaje, así se tiene el factor de adherencia tomado de la siguiente tabla en función del diámetro del perno.
Así para un diámetro de una pulgada (25,4mm) el factor correspondiente es: fr
0,05 ,056
FH'
fr.Fc'
FH'
0,05 ,053.(52,5 ckmg2 )
L
L L
P Fc' p .0, 05 FH' . .
2,54 ,54 ckmg2
p
2295,19kgf 52, 5 ckmgf2
2, 54 54cm 0, 0, 05 05
2295,19kg 9kgf 6, 66 6675 ckmg 23, 46 46 ckmg
2, 94 94 ckmgf2 . . 2, 54 54cm
2295,19 30,13 ckmg
80cm
Como se puede observar la longitud efectiva del perno es de 80cm.
- 52 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas
3.5.1.4 Longitud total total del perno. La longitud total del perno se determina a partir de la longitud efectiva del perno más la longitud correspondiente al espesor de la placa base y por último la longitud de roscado del perno.
LT
L eplaca
Lrosca
LT
80cm 2,54 ,54cm 5cm
LT
85cm
3.5.1.5 Longitud del Ala del perno. Corresponde al 5% de la longitud efectiva.
a
5%.L
a
0,05 ,05. 80cm
4cm
3.5.2 Determinación del área de la zapata. zapata. El área de la zapata se determina a partir de la carga Axial equivalente que corresponde a la mayor carga aplicada sobre el eje de la columna a transmitirse a la cimentación.
Para determinar el área de la zapata se debe cumplir con la siguiente relación:
N A2
Fs'
N : Carga Axial Axial.. Fs' :Esfuerzo admisible del suelo.
- 53 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas Se toma como parámetro que el suelo es de tipo Limoso, y por lo tanto tiene un kg esfuerzo último de 1 cm 2 .
' s
F
fc'
kg 1 cm 2
A2
FS N Fs'
A
562 562,58 ,58cm
kg 0, 25 cm 2 .
4 7912 79126 6,032kg ,032kg kg 0, 25 cm 2
316504,128cm2 .
5,63m ,63m
El cálculo anterior mostrado indica que la zapata debe cubrir un área de 5,63 m por cada lado.
3.6 Diseño de la viga Carrilera. Para el diseño de la misma se toma como condición extrema de trabajo que el puente grúa este ubicado en el centro de la viga y que toda la carga del puente grúa este ubicada en el extremo próximo a la viga carrilera. Como se menciono anteriormente la carga de trabajo del puente grúa es de 5 toneladas pero se tomo una sobre carga que sube a un valor de 6,5 toneladas, esta última es la carga dominante para el diseño de la viga de 6 metros de longitud.
P
6,5To ,5Ton n 14,3 14,33Ki 3Kip p
L
6m
19,68 19,685f 5ftt
236 236,22i ,22in
- 54 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas
Fig. 36 Estado de carga de la viga carrilera.
Fig. 37 Diagrama de momento flector (Kip-ft).
Fig. 38 Diagrama de esfuerzo cortante (kip). Como primera aproximación se asume que: Fb
0,66S ,66S y
0,66 ,66(50Ksi)
33Ksi
Con este valor se procede a calcular una sección para tener una referencia de la misma, así entonces se tiene:
- 55 -
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas
S
M Fb
859,34K ,34Kip ip in 33 Kip in2
26, 04 in3 .
De las tablas de la AISC se tiene un módulo se sección próxima con el perfil: W8x31 S1
27,5in ,5in3 .
Lc
7, 2 ft ft
Lu
14, 5ft
MR L
L
76 kip ft ft Lu
Como se puede observar esta aproximación nos indica que estado de análisis para la viga corresponde al tercer caso donde independientemente de la sección L
Lu y Fb
0, 6 Sy .
Ahora se quiere determinar qué valor de esfuerzo admisible esbeltez
Li Li
Cb
F
del elemento.
102x103 Cb Sy
; Cb : Fa Factor de gradiente de momento.
510x103 Cb Sy M1 1, 75 1, 05 M2
M1 0, 3 M2
2
M1 Menor Menor momento momento en los extremos extremos.. M2
Mayo Mayorr momentoen momentoen los los extre extremos mos..
- 56 -
Fb determina la
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas Según nuestro diagrama de momento flector M1 y M2 son cero y por lo tanto Cb
Li
F
1, 75 75
F
L rT
Ls 236 236,22i ,22in 2,18in
108,36
Li
102x10 3.(1,75) 50
59, 74
Li
510x10 510 x103.(1, 75) 50
133, 60
Fb
2 3
50 108 108,4
.
2
1530 x103 1,75 ,75
.50
22, 36Ksi
Segunda Aproximación:
S2
859,34 859,34 Kip in 22,36 Ksi
38, 43 in3
De las tablas de la AISC se escoge un perfil aproximado al módulo de la sección, con lo que se tiene el perfil: W12x30 S3
38, 6 in3 .
MR
106 Kip ft
Lc
5, 8 ft
Lu
7, 8 ft
L
S2
L
Lu
Como la longitud de la viga es aún mayor a la longitud última, se procede nuevamente a calcular una esbeltez.
- 57 -
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F
F
L rT
236,22i ,22in n 1, 73in
136,54
Ls
Esta esbeltez nos indica otro método de cálculo para Fb
Fb
S4
170x103 Cb L rT
170x1000x1,75 (136,54)2
859,34 859,34Ki Kip p in 15,95Ksi
15, 95 Ksi.
53, 87 in3 .
Tercera Aproximación. Ahora se escoge un perfil con módulo de sección mayor a la última calculada y que además tenga una longitud última mayor a la de la viga. Así tenemos entonces: W10x54 Lu
20, 3 ft. L
S5
60 in3 .
MR
165 ki kip ft
Fy'
S4
63,5Ksi ,5Ksi.
Con lo cual se llega a la selección este perfil como el más adecuado para la viga carrilera.
Factor de seguridad; FS
63,5 15,95
3, 98
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3.7 Diseño final del pórtico.-
Fig. 39.- Diseño del pórtico Se puede observar: Las placas bases La columna inferior principal W18x71 La columna superior secundaria W18x40 La viga inclinada de perfil W18x40 Se muestra un detalle más ampliado:
Fig. 40 Ampliación y detalles
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Fig. 41 Diseño del Galpón
Fig. 42 Ampliación donde se puede observar la viga carrilera en rosado y los canales C en violeta donde se pondrá el Novatecho
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BIBLIOGRAFÍA Diseño de Estructuras de Acero, Bresler, LIN y SCALZI, Editorial LIMUSA, 1970 Diseño de Estructuras Metálicas, McCROMAC, JACK, 1971
Manual de la AISC (American Institute of Steel Construction, Inc); Chicago, Illinois, 1980
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ANEXO 1. Determinación de los parámetros funcionales. Determinación de los parámetros funcionales. ASPECTOS DE ANÁLISIS
Características del edificio
generales
Distancia entre pórticos
Número diferente
de
pórticos
Valor (m) Ancho :
20
Largo:
36
Altura máxima:
8,87
# de pórticos
7
Localización:
Conocoto
P1-P2
6
P2-P3
6
P3-P4
6
P4-P5
6
P5-P6
6
P6-P7
6
2 (Extremos)
Descripción
Características del pórtico
Luz:
20
Altura:
8,87
Gradiente:
15°
Tipo de perfil:
W
Material:
Acero estructural
Conexiones Columna-Trabe:
Soldadura
Trabe-Trabe:
Soldadura
Pórtico-vigas grúa:
Soldadura
Cimentaciones Base de la columna:
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Placa
y
pernos
de
Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________ _______________________ Estructuras Metálicas anclaje
Vigas laterales
Puente grúa
Material:
Acero estructural
Tipo de perfil:
W
Capacidad:
5T
Peso:
3081.6 kg
Luz:
19,75
Número de rieles:
2
Tipo
de
control
mando
de
No determinado
Tipo de perfil:
W
Trole y malacate
Peso:
Considerado en el PG.
Arriostramiento
Laterales:
Por determinar
Cubierta
Paneles de acero (2,17 kg/m 2)
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