72473904 T3 Diseno Sismico de Una Nave Industrial

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

1

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 americana (NCh2369.of2003) de donde se 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.

2

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 contratación de

terceros.

3

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

5

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

6

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.

7

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.

8

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 los carros

testeros.

9

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.

10

Tabla 1.1 Clasificación de Puentes grúa

Nº Tipo de puente grúa Grupo

1 Puente grúa con movimiento de traslación a mano. I

2 Puentes grúa con movimientos de traslación eléctrico para patios

de almacenamiento.

I – II

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.

11

Tabla 1.2 Clasificación de grúas CMAA

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

Ciclo de

servicio

Clasificación

de Grúas

CMAA

Regulaciones OSHA

para intervenciones

Descripción del servicio

Inspecciones

Mínimas

Mantención

Preventiva

Servicio no

Frecuente o Stand

by

A Anual Cada 6 meses

Manejo de cargas a baja velocidad con intervalos

largos entre levantes. No más de 2 levantes al mes a

plena capacidad.

Servicio Liviano B Anual Cada 4 meses

Uso periódico liviano y a baja velocidad desde 2 a 5

levantes por hora sin carga y ocasionalmente a pelan

carga.

Servicio

Moderado C Anual Cada 2 meses

Levante desde 5 a 10 por hora con carga de 50% de

la nominal.

Servicio Pesado D 2 veces al año Mensual

Levante desde 10 a 20 por hora con carga

aproximada al 50% regularmente pero no más del

65% de la nominal.

Servicio Severo E 3 veces al año 2 veces al mes

Servicio constante entre 20 a 40 levantes por hora a

altas velocidades.

Servicio Continuo

Severo F 3 veces al año Semanal Operación continua de levantes.

12

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 PARA 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

14

� 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.

15

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.

16

� 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)

17

Determinación del espectro de aceleración en las direcciones “x” e “y”.

DIRECCIÓN “X” DIRECCIÓN “Y”

C=2,5(Tp/T); C<=2,5 C=2,5(Tp/T); C<=2,5

Sa=(ZUCS/R)g; R=9,5 Sa=(ZUCS/R)g; R=6

C T Sa C T Sa

2.5 0.3 1.61 2.5 0.3 2.6

2.5 0.4 1.61 2.5 0.4 2.6

2.5 0.5 1.61 2.5 0.5 2.6

2.5 0.6 1.61 2.5 0.6 2.6

2.1 0.7 1.38 2.1 0.7 2.2

1.9 0.8 1.21 1.9 0.8 1.9

1.7 0.9 1.07 1.7 0.9 1.7

1.5 1.0 0.97 1.5 1.0 1.5

1.4 1.1 0.88 1.4 1.1 1.4

1.3 1.2 0.81 1.3 1.2 1.3

1.2 1.3 0.74 1.2 1.3 1.2

1.1 1.4 0.69 1.1 1.4 1.1

1.0 1.5 0.64 1.0 1.5 1.0

0.9 1.6 0.60 0.9 1.6 1.0

0.9 1.7 0.57 0.9 1.7 0.9

0.8 1.8 0.54 0.8 1.8 0.9

0.8 1.9 0.51 0.8 1.9 0.8

0.8 2.0 0.48 0.8 2.0 0.8

18

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 Text Text Mm mm Δh/ΔH Δh/ΔH

3 QUAKEx;QUAKEy Max 0.946 0.401374 0.0007 0.0002
































Tabla 2.3 A

19

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 Object Type NumPieces TotalLengt

h

TotalWeigh

t

Text Text Unitless M TM

W10X19 Vigas amarre de columnas 68 384.0 10.9283

WT4X9 Arriostre tipo X en techo y paredes

192 1407.4 18.7437

W16X36 Columnas parte frontal 24 77.0 4.1331

W16X45 Columnas parte lateral y techo

96 520.8 35.0726

W16X77 Viga carrilera 22 132.0 15.1066

Puente Viga principal del puente 1 20.0 5.3595 C150x50x15x2,5 Correas techo 198 1188 6.534

Tabla 2.3 B

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.

20

a) Calculo de las columnas laterales (ejes A y E).

Verificando la columna W16”x45 Lb/pie

LRFD Especificaciones

ftKipM

ftKipM

kipsP

uy

ux

u

−=

−=

=

.2,2

.2,100

.14,67

8,11257,1

)12)(76,14(0,1

1,10265,6

)12)(73,37(5,1

==

==

y

yy

x

xx

r

LK

r

LK

Trabajamos con el mayor 112,8

KipsAFP

KsiF

gcrcnc

crc

.79,216)3,13(3,16

.3,16

===

=

φφ

φ

Calculo de la longitud efectiva

.4,13

57,1

65,6

)73,37(5,1ft

r

r

LKKL

y

x

xx =

=

=

Trabajando con ..40,13 ftLb =

ftkipMM

ftkipMM

nycy

nxcx

−===

−==

.5,137)191(50

36

50

36

.224

φ

φ

aHecuaciónusarP

P

Kips

Kips

P

P

nc

u

nc

u

1.1:.2,0

309,0.79,216

.14,67

⇒>

==

φ

φ

OK

M

M

M

M

P

P

cy

ry

cx

rx

c

r

...172,05,137

2,2

224

2,100

9

8

79,216

14,67

0,19

8

<=

++

≤

++

Sap2000

Considerando Kx = 1,5

Manual AISC tabla 4-22



Manual AISC; capitulo H

21

b) Calculo de las columnas frontales (ejes 1 y 12)

Verificando la columna W16”x36 Lb/pie

LRFD Especificaciones

ftKipM

ftKipM

kipsP

uy

ux

u

−=

−=

=

.0,0

.73,9

.82,10

6,11652,1

)12)(76,14(0,1

5,12251,6

)12)(3,44(5,1

==

==

y

yy

x

xx

r

LK

r

LK

Trabajamos con el mayor 122,5

KipsAFP

KsiF

gcrcnc

crc

.53,159)6,10(05,15

.05,15

===

=

φφ

φ

Calculo de la longitud efectiva

.5,15

52,1

51,6

)3,44(5,1ft

r

r

LKKL

y

x

xx =

=

=

Trabajando con ..5,15 ftLb =

ftkipMM

ftkipMM

nycy

nxcx

−===

−==

.5,106)148(50

36

50

36

.144

φ

φ

bHecuaciónusarP

P

Kips

Kips

P

P

nc

u

nc

u

1.1:.2,0

07,0.53,159

.82,10

⇒<

==

φ

φ

OK

M

M

M

M

P

P

cy

ry

cx

rx

c

r

...110,05,106

0,0

144

73,9

)53,159(2

82,10

0,12

<=

++

≤

++

Sap2000

Considerando Kx = 1,5




Manual AISC capitulo H

22

c) Calculo de las vigas carrileras a flexión

Para el cálculo se considerará como flecha máxima admisible 600

.max

Lf = ;

W16x77.

LRFD Observaciones

KipsPu .37,17=

43

)(

.max

3

)(

.max

.50,1099)394,0)(29000(48

)22,326(37,17

48

..394,0600

22,236

600

inI

Ef

LPI

inL

f

requeridox

u

requeridox

==

=

===

Verificando: W16”x77 Lb/pie

OKinin .........1110.50,1099 44 <

Sap2000

Manual AISC tabla 3-23;

diagrama 7


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.

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.

CAPÍTULO 3

CALCULO ESTRUCTURAL DE LA VIGA PRINCIPAL TIPO CAJÓN

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 parámetros para el cálculo estructural de la viga tipo

cajón.

Tabla 3.11 Presión de una rueda en carros de puente grúa

Tabla 3.12 Coeficiente de choque

28

888

Lf a =

Tabla 3.13 Coeficiente de compensación

Cargas de diseño para un puente monorriel

- Carga Muerta:

Peso propio de la viga: w = 276,6 kg/m

- Carga de Izaje: Q = 10 000 Kg

- Peso del polipasto y carro K = 1 000 Kg

- Distancia entre los ejes de las ruedas del carro: a = 1 000 mm

- Servicio de Intensidad moderada clase “C” (tabla 1.2), equivalente al

grupo II (tabla 1.1).

- Coeficiente de choque o percusiones: φ = 1,1 (tabla 3.12)

- Coeficiente de compensación ψ = 1,4 (tabla 3.13)

- Luz de la grúa puente: L = 19 600 mm

- Presión de la rueda del carro: P = 7 000 Kg. (tabla 3.11)

- Flecha Admisible: (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 ( f2 ), mas la mitad de la flecha producida por la carga nominal

( f1/2).

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:

)1(...........651446432

100019600

196002

7000

:Re

586,0.;22

2

1

2

1

mmKgx

Mf

emplazando

Lacuandoa

LxL

PMf

−=

−=

<

−=

Momento flector máximo debido al peso propio de la viga:

)2(...........132631248

196002762,0

:Re

8

2

2

2

2

mmKgx

Mf

emplazando

xLMf

−==

=ω

Momento flector máximo debido al peso propio del mecanismo de

traslación:

)3(...........49000004

196001000

:Re

4

3

3

mmKgx

Mf

emplazando

KxLMf

−==

=

30

Cargas horizontales:

Momento flector máximo debido a la carga móvil:

)4(...........465318914

65144643

:Re

14

4

14

mmKgMf

emplazando

MfMf

−==

=

Momento flector máximo debido al peso propio de la viga:

)5(...........18947327

13263124

:Re

7

5

25

mmKgMf

emplazando

MfMf

−==

=

Momento flector máximo debido al peso propio del mecanismo de

traslación:

)6(...........7000007

4900000

:Re

7

6

36

mmKgMf

emplazando

MfMf

−==

=

31

Figura3.1 Sección de la viga tipo cajón para el cálculo de Ixx´

Tabla 3.14 Propiedades geométricas para el cálculo del momento

de inercia, respecto al eje neutro xx’ (Steiner)

32

Calculo del momento de inercia respecto al eje neutro xx´: Ixx´

Determinación del eje neutro xx´:

mmA

xYAY

T

ii.483

31793

153494231 ===

∑∑

∑ ∑ ∑−+=⇒ 2

1

2

´ xYAIxYAI Tciixx

Reemplazando datos tenemos:

22

´ .529655384648331793104069128231166650419 mmxI xx =−+=

Calculo del momento de inercia respecto al eje y: Iy

Figura 3.2 Sección para el cálculo del Iy

33

Tabla 3.15 Calculo del momento de inercia respecto al eje Y

Determinación del eje neutro (Steiner):

01 ==∑∑

i

ii

A

xXAX

Momento de inercia respecto al eje y: Iy

∑ ∑ −+= 2

1

2 xXAIxXAI Tciiy

Reemplazando datos tenemos:

4.5943964140317932082782438010 mmxI y =−+=

En conclusión tenemos:

� 4

´ .5296553846 mmI xx =

� 4.594396414 mmI y =

� Módulo de elasticidad del acero estructural ASTM A-36:

2

/.21000 mmKgE =

� Esfuerzo de fluencia del acero estructural ASTM A-36:

2/.31,25 mmKgy =σ

34

3.1.- Cálculo y verificación de la estabilidad

Flecha debido a la carga móvil:

[ ]

( )( )

[ ]

mmf

xxx

f

emplazando

LbaDonde

AISCtablabLLEI

Pbf

aLLaLEI

Pf

xx

.67,19

)100019600(196003)100019600(21000529655384648

7000

:Re

2:

)9.233......(324

)(3)(48

1

22

1

22

1

22

´

1

=⇒

−−−=

=+

−−−=

−−−=

Flecha debido al peso propio uniforme de la viga principal

mmfxx

xxf

emplazando

AISCtablaEI

wLf

.77,4529655384621000384

196002762,05

:Re

).1.233......(384

5

2

4

2

4

2

=⇒=

−=

Flecha producido por el mecanismo de traslación K

mmxx

xf

emplazando

AISCtablaEI

KLf

.41,152965538462100048

196001000

:Re

).7.233......(48

3

3

3

3

==

−=

Calculo de la flecha admisible, para la viga con contra flecha

Para este caso sólo se consideran las cargas vivas.

OKmmfmmff

mmL

f

a

a

..........1,22...08,2141,167,193

.10,22888

19600

888

1 =<=+=+⇒

===

35

Calculo de la contra flecha para la fabricación de la viga principal

)3.5.5.374......(.6,1477,42

67,19

22

1 −=+=+ CMAAmmff

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 cargas verticales:

( )

)13.3..(4,1

)12.3..(1,1

)1.3..(.567

)7......(......................).( 132

tabla

tabla

figuramm

I

MfMfMf

x

=Ψ

=

=

Ψ++=

ϕ

δ

δϕσ

Reemplazando (1), (2) y (3) en (7) tenemos:

........../.18,156,0/.9,11

5296553846

)567)(651446434,1)490000013263124)(1,1((

22KOmmKgmmKg

x

y =<=

++=

σσ

σ

Esfuerzo de tensión debido a las cargas verticales y horizontales.

( ) ( )

)2.3..(.210

)8......(...).( 654

´

132

figuramm

I

MfMfMf

I

MfMfMf

yxx

=

+++

Ψ++=Τ

ρ

ρδϕσ

Reemplazando σ, (4), (5) y (6) en (8) tenemos:

........../.18,156,0/.5,146,29,11

594396414

210).70000018947324653189(9,11

22KOmmKgmmKg y

T

=<=+=

+++=

Τ σσ

σ

)4.374.(6,0 −≤ CMAAyT σσ

36

Vista del montaje de un puente 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

POSICIÓN CRÍTICA DEL PUENTE GRÚA PARA EL

DISEÑO DE LA VIGA CARRILERA Y PARA

OBTENER LOS MÁXIMOS DESPLAZAMIENTOS

HORIZONTALES “DRIFT” MEDIANTE EL ANÁLISIS

DINÁMICO

POSICIÓN DE PUENTE GRÚA, DE DONDE GENERA

MÁXIMOS ESFUERZOS PARA DISEÑAR LAS

COLUMNAS LATERALES

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