View
7
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
1
GRÚAS
GRÚAS
Departamento de Ingeniería MecánicaUniversidad Carlos III de Madrid
TRANSPORTES
GRÚAS
INTRODUCCIÓN
• Grúa: aparato para izar, para levantar y bajar cargas verticalmente y para moverlas horizontalmente mientras se mantienen suspendidas.
• UNE 58-104-87. Parte 1. Tipos de aparatos de elevación:
– Según concepción.– Según posibilidades de traslación.– Según dispositivo de mando.– Según posibilidad de orientación.
2
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL
• El cálculo estructural dinámico permite determinar el valor de las tensiones a las que está sometido el aparato de elevación durante su funcionamiento.
• Fases:1. Obtención de solicitaciones y combinaciones de ellas que actúan
sobre la estructura.2. Obtención de desplazamientos, esfuerzos, tensiones y reacciones
existentes en cada uno de los elementos resistentes mediante el proceso de cálculo correspondiente.
3. Comprobación de los valores obtenidos con los valores admisibles de elasticidad, resistencia y estabilidad.
Hoy en día: programas informáticos de elementos finitos
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL• Solicitaciones a tener en cuenta:
– Solicitaciones principales que se ejercen sobre la estructura del aparato supuesto inmóvil, en el estado de carga más desfavorable:
• Carga de servicio: carga útil + elementos accesorios• Peso propio: peso elementos de la grúa (a excepción carga de servicio)
– Solicitaciones debidas a movimientos verticales:• Aceleraciones o desaceleraciones• Choques verticales debido al rodamiento sobre las vías
– Solicitaciones debidas a movimientos horizontales:• Aceleraciones o desaceleraciones de movimientos• Fuerza centrífuga• Efectos transversales debido a rodadura• Efectos de choque
– Solicitaciones debidas a efectos climáticos:• Efectos del viento, nieve, temperatura
– Solicitaciones diversas:• Dimensionamiento de pasarelas o barandillas
3
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL
• Norma UNE 58132-2• Determinación de combinaciones de solicitaciones:
– CASO I: Aparato en servicio sin viento– CASO II: Aparato en servicio con viento– CASO III: Aparato sometido a solicitaciones
excepcionales:• Viento en tempestad• Efecto de choque con los topes fin de carrera• Ensayos estático y dinámico
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO I
• CASO I: Caso normal sin viento:– Se consideran las solicitaciones estáticas debidas al peso propio
SG, las fuerzas debidas a la carga de servicio SL multiplicadas por el coeficiente dinámico ψ y los dos efectos horizontales más desfavorables SH sin considerar los efectos de choque, multiplicadas todas ellas por el coeficiente de mayoración γc:
( )c G L Hγ S +ψS +S
– Coeficiente de mayoración γc [UNE 58132-2] : Es función del grupo de clasificación del aparato
4
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO I
• Coeficiente dinámico ψ: tiene en cuenta– El levantamiento de la carga de servicio. – Las aceleraciones o desaceleraciones en el movimiento de
elevación. – Los choques verticales debidos a la rodadura sobre las
vías.
( )c G L Hψγ S + S +S
LΨ=1+ξVVL es la velocidad de elevación en m/s
ξ es un coeficiente experimental obtenido de numerosas medicionesefectuadas en diferentes tipos de aparatos
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO I
5
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: GRÚA TORRE
Es importante conocer cual es la carga máxima en función del
alcance: se suele indicar su valor en los puntos A y B
Pi=Q+Pc(carga+carro)
G: peso de la grúa
Gc: peso del contrapeso
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: GRÚA TORRE
Estructura superior
( )
( )
B1
c2
ψ PT =sen β
GT =sen α
⋅
2 2Tσ = σ +3τ
Esfuerzos de tracción en los tirantes:
( )
( )
B1
c2
PT =sen β
GT =sen α
Los tirantes trabajan a tracción, mientras que la portaflecha trabaja a compresión, flexión y cortadura
11
1
22
2
Tσ =ATσ =A
Los esfuerzos en la portaflecha son:( ) ( )( ) ( )
1 2
1 2
V=T sen β +T sen α
H=T cos β -T cos αM=H h
⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅
cp
fpf
z
Vσ =A
Mσ =W
H mτ=b I
⋅⋅
Von Misses
2 2T f cσ = (σ σ ) +3τ+
m: momento estático
6
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: GRÚA TORRE
Estructura superior
pl,f A 3
pl,c A
M =ψ P L
V =ψ P
⋅ ⋅
⋅
La pluma está sometida tanto a esfuerzos de flexión como cortantes:
pl,f A 3
pl,c A
M =P LV =P
⋅A 3
fpf
A
z
ψ P Lσ =W
ψ P m=b I
τ
⋅ ⋅
⋅ ⋅⋅
2 2T fσ = σ +3τ
Von Misses
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: GRÚA TORRE
Torre
f B 1 c 2
c B c
M =P L G L G eV =P G G
⋅ − ⋅ + ⋅+ +
La torre está sometida a un esfuerzo de flexión y a un esfuerzo de compresión
B 1 c 2f
mf
B cc
m
ψ P L G L G eσ =W
ψ P G Gσ =A
⋅ ⋅ − ⋅ + ⋅
⋅ + +
f B 1 c 2
c B c
M =ψ P L G L G eV =ψ P G G
⋅ ⋅ − ⋅ + ⋅⋅ + +
T f Cσ =σ σ+
MfVce L1L2
7
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO I
• Cargas debidas a movimientos horizontales:– Aceleraciones o desaceleraciones debidos a movimientos
de traslación de la grúa– Aceleraciones o desaceleraciones debidos a movimientos
de la carga– Fuerza centrífuga– Efectos transversales debido a rodadura (cargas debidas a
la oblicuidad)
( )c L HGγ S +ψ +SS
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO I
• Aceleraciones o desaceleraciones de movimientos:
– Aceleraciones/desaceleraciones debidas a movimientos de traslación de la grúa
– El valor de la aceleración/desaceleración depende de:• Velocidad a obtener• Tiempo de aceleración/desaceleración• Condiciones de explotación del aparato
( )c L HGγ S +ψ +SS
aH = Vg
⋅
8
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO I
0,0642,500,16
0,0783,200,25
0,162,500,0984,100,40
0,193,200,125,200,63
0,333,000,254,000,156,601,00
0,433,700,325,000,198,301,60
0,474,200,355,600,229,102,00
0,524,800,396,302,50
0,585,400,447,103,15
0,676,000,508,004,00
Aceleración[m/s2]
Tiempo de aceleración
[s]
Aceleración[m/s2]
Tiempo de aceleración
[s]
Aceleración[m/s2]
Tiempo de aceleración
[s]
(c)Velocidad rápida con fuertes
aceleraciones
(b)Velocidad media y rápida (aplicaciones corriente)
(a)Velocidad lenta y media con
larga carrera
Velocidad a obtener[m/s]
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO I
• Aceleraciones o desaceleraciones de movimientos de la carga:
– Fuerza de inercia en la carga (con peso W):
– En términos de movimiento rotacional:
( )c L HGγ S +ψ +SS
T=Jα
WaF= =mag
T: par de inerciaJ: momento polar de inercia= α: aceleración angular
2i im d∑
9
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO I
2i i
e 2
m dm =D∑
eF=m a⋅
a=α D⋅
Fuerzas de inercia debido a la rotación:
Masa equivalente Aceleración tangencial
2i im dF=D
α ⋅∑
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO I
• Cargas debidas a la oblicuidad:– Esfuerzos tangenciales entre el carril y la rueda.– Esfuerzos existentes entre los medios de guiado.
• Es necesario un modelo mecánico simple de traslación compuesto de:
– n pares de ruedas en línea.– p pares acoplados.
( )c L HGγ S +ψ +SS
10
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO I
• Cargas debidas a la fuerza centrífuga:– Efectos de la inclinación del cable portante de la carga
( )c L HGγ S +ψ +SS
2
cWR πnF =
g 30⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
W: cargaR: radio de operaciónn: velocidad de girog: aceleración de la gravedad
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO II
• CASO II: Servicio normal con viento límite de servicio
– A las cargas consideradas para el CASO I se añaden los efectos del viento límite de servicio Sw y, en caso necesario, la carga debida a la variación de temperatura:
– No se considera el efecto de las sobrecargas producidas por la nieve.
( )c G L H wγ S +ψS +S S+
11
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO II
• Efecto del viento( )c G L H wγ S +ψS +S S+
•A es la superficie neta, en m2, del elemento considerado, es decir, la proyección de la superficie sólida sobre un plano perpendicular a la dirección del viento.•Cf es el coeficiente de forma, en la dirección del viento, para el elemento considerado. •p es la presión del viento, en kN/m2, y se calcula mediante la siguiente expresión:
donde vs es la velocidad del viento de cálculo en m/s
fF=A p C⋅ ⋅
-3 2sp 0,613 10 v [kPa]= ⋅ ⋅
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO II
1,1Estructuras rectangulares llenas, sobre el suelo o sobre fundación maciza (el aire no puede circular bajo la estructura)
Casetas de máquinas, etc
1,20,8
Perfiles redondosen los que Dvs < 6 m2/sen los que Dvs ≥ 6 m2/s
1,7Perfiles de caras planasMarcos simples de celosía
2,21,91,41,0
2,11,851,351,0
1,951,751,30,9
1,751,551,20,9
1,551,401,00,8
b/d≥210,50,25
Perfiles cuadrados de más de 350 mmde lado y rectangulares de más ed 250 mm x 450 mm
1,10,8
1,00,75
0,950,70
0,900,70
0,800,65
0,750,60
Perfiles redondosen los que Dvs < 6 m2/sen los que Dvs ≥ 6 m2/s
1,91,71,651,61,351,3Perfiles laminados en L, en U y chapas planasElementos simples
50403020105
Coeficiente aerodinámicol/b ó l/D
DescripciónTipo
Cf: Coeficiente de forma [UNE 58-113-85]
12
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO II
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO II
0,5028,5Grúas de tipo portuario que deben poder continuar funcionando en caso de viento fuerte
0,2520Todos los tipos normales de grúas que se instalen al aire libre
0,12514
Grúas fácilmente protegibles contra la acción del viento y concebidas para utilizarse exclusivamente en caso de viento ligero (por, ejemplo grúas bajas cuya pluma pueda abatirse fácilmente hasta el suelo)
Presión del vientokPa/m2
Velocidades del vientom/s
Tipo de grúa
Velocidades y presiones del viento de servicio [UNE 58-113-85]
-3 2sp 0,613 10 v [kPa]= ⋅ ⋅
13
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO II
• Sobrecarga de nieve:– No se consideran
• Efecto de la temperatura:– Sólo cuando los elementos no se pueden dilatar
libremente– Límite de temperatura -20 ºC + 45 ºC
( )c G L H wγ S +ψS +S S+
GRÚAS
CÁLCULO ESTRUCTURAL: CASO III
• CASO III: Aparato sometido a cargas excepcionalesa) Aparato fuera de servicio con viento máximo.b) Aparato en servicio bajo el efecto de un choque.c) Aparato sometido a ensayos estáticos y dinámicos.
14
GRÚAS
ESTABILIDAD
m m b bW d W d W d> +
GRÚAS
ESTABILIDAD
( )m m f o f b b rW d W d d W d W d+ − > +
Wm
15
GRÚAS
fQM =- L2
⋅
c cQG d=G e+(P ) L2
⋅ ⋅ + ⋅
fQM = L2
⋅
CÁLCULO CONTRAPESO
f c i cM =(P Q ) L+G e-G d+ ⋅ ⋅ ⋅
Se suele elegir un contrapeso de manera que compense la mitad del momento de carga y el
momento del pescante
P=Qi+Pc(carga+carro)
Momento flector:
Sin carga: Qi=0
Con carga: Qi=Q
Con un contrapeso de este tipo, la columna, con y sin carga, está solicitada uniformemente en la forma más favorable
Situaciones más desfavorables:
f c i c iQ QM =(P Q ) L+G e- G e+(P ) L Q L2 2
⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ = − ⋅⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
GRÚAS
Sirve de cuadro de referencia a los compradores y a los fabricantes en cuanto que permite adecuar un aparato dado a las condiciones de servicio para los cuales es requerido.
CLASIFICACIÓN
La clasificación de las grúas y aparatos de elevación es el sistema que permite establecer el diseño de las estructuras y de los mecanismos sobre
bases racionales
Clasificación del aparato Clasificación del mecanismo
Suministra al constructor del aparato una base para realizar un estudio de diseño y verificar que
el aparato tendrá una vida deseadas en condiciones de
servicio especificadas para la aplicación en cuestión
Es utilizada por el comprador y el constructor del aparato para llegar a un acuerdo en cuanto a las condiciones de
servicio del aparato
16
GRÚAS
CLASIFICACIÓN APARATO
• El número total de ciclos de maniobra es la suma de todos los ciclos de maniobra efectuados durante la vida especificada del aparato de elevación.
• El usuario espera que el aparato cumpla un número de ciclos de maniobra durante su vida útil.
• El número total de ciclos de maniobra está ligado al factor de utilización:– Por comodidad el espectro de los números de ciclos de maniobra ha sido dividido es
10 clases de utilización.
CLASIFICACIÓN DEL APARATO (norma 58-112-91/1)
Número de ciclos de maniobra Coeficiente de espectro de cargas
Un ciclo de maniobra comienza en el momento en que la carga está dispuesta para ser izada y acabada cuando el aparato está dispuesto para izar la carga siguiente
GRÚAS
CLASIFICACIÓN APARATO: NÚMERO TOTAL DE CICLOS
17
GRÚAS
CLASIFICACIÓN APARATO
• Dependiendo de la información disponible sobre el número y masa de las cargas a levantar durante la vida del aparato
– Falta de indicaciones: tienen que llegar a un acuerdo el constructor y el comprador.
– Si se posee la información: se puede calcular el coeficiente del espectro de las cargas del aparato completo.
CLASIFICACIÓN DEL APARATO (norma 58-112-91/1)
Número de ciclos de maniobra Coeficiente de espectro de cargas
El estado de carga representa el número de veces que es elevada una carga, de un orden de magnitud determinado correspondiente a la capacidad del aparato
GRÚAS
CLASIFICACIÓN APARATO: ESTADO DE CARGA
3
i ip
T max
C PK =C P
⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦
∑
Ci representa el número medio de ciclos de maniobra para cada nivel de carga distinto.CT es el total de los ciclos de carga individuales para todos los niveles de carga. Pi representa las magnitudes individuales de las cargas (nivel de carga) características del servicio del aparato.Pmax es la carga mayor que el aparato está autorizado a levantar (carga útil).
18
GRÚAS
CLASIFICACIÓN APARATO: ESTADO DE CARGA
GRÚAS
CLASIFICACIÓN DEL APARATO COMPLETO
19
GRÚAS
CLASIFICACIÓN DEL APARATO COMPLETO
GRÚAS
CLASIFICACIÓN MECANISMOS
• La duración del servicio total máximo puede calcularse a partir de la duración del servicio diario medio, en horas, del número de días laborables por año y del número previsto de años de servicio.
• Un mecanismo se considera en servicio, cuando está en movimiento.
CLASIFICACIÓN DEL MECANISMO (norma 58-112-91/1)
Clase de utilización Estado de carga del mecanismo
Se determina por la duración del servicio previsto en horas
20
GRÚAS
CLASIFICACIÓN DE LOS MECANISMOS: UTILIZACIÓN
GRÚAS
CLASIFICACIÓN MECANISMOS
CLASIFICACIÓN DEL MECANISMO (norma 58-112-91/1)
Clase de utilización Estado de carga del mecanismo
El estado de carga indica en que media un mecanismo está sometido a una carga máxima, o solamente a cargas reducidas.
3
i im
t max
t Pk =T P
⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦
∑
ti representa la duración media de servicio del mecanismo a los niveles de la carga individual.Tt es la suma de todas las duraciones individuales en todos los niveles de carga Pi representa las magnitudes individuales de las cargas (nivel de carga) características del mecanismo.Pmax es la magnitud de la carga máxima aplicada al mecanismo
21
GRÚAS
CLASIFICACIÓN DE LOS MECANISMOS: ESTADO DE CARGA
GRÚAS
CLASIFICACIÓN DE LOS MECANISMOS
22
GRÚAS
CLASIFICACIÓN DE LOS MECANISMOS
GRÚAS
CLASIFICACIÓN
Grúa de puerto con gancho:
23
GRÚAS
CLASIFICACIÓN
Grúa de puerto con gancho: clase de utilización U5
Ciclo de elevación
Elevación de la cargaTraslaciónGiroDescensoDesenganche de la cargaSubida en vacíoGiroTraslaciónDescenso en vacíoEnganche de una nueva carga
tmc=150 sg
GRÚAS
CLASIFICACIÓN
mcN tT [h]3600
⋅=
Duración total de utilización de la máquina:
tmc= duración media de un ciclo [sg]N = Número de ciclos
55 10 150T 20835 horas3600
⋅ ⋅= ≈
24
GRÚAS
CLASIFICACIÓN
mecanismoi
mc
tt
α =
Para cada mecanismo se define:
tmecanismo= tiempo de utilización del mecanismo durante un ciclo [sg]
tmc= duración media de un ciclo [sg]
Elevación de la cargaTraslaciónGiroDescensoDesenganche de la cargaSubida en vacíoGiroTraslaciónDescenso en vacíoEnganche de una nueva carga
Mecanismo de elevación
Mecanismo de giro
Mecanismo de traslación
GRÚAS
CLASIFICACIÓN
Elevación de la cargaTraslaciónGiroDescensoDesenganche de la cargaSubida en vacíoGiroTraslaciónDescenso en vacíoEnganche de una nueva carga
Mecanismo de elevación
Mecanismo de giro Mecanismo de traslaciónElevación de la cargaTraslaciónGiroDescensoDesenganche de la cargaSubida en vacíoGiroTraslaciónDescenso en vacíoEnganche de una nueva carga
Elevación de la cargaTraslaciónGiroDescensoDesenganche de la cargaSubida en vacíoGiroTraslaciónDescenso en vacíoEnganche de una nueva carga
63%
10%25%
25
GRÚAS
CLASIFICACIÓN
Mecanismo de elevación αi=0.63
Duración total del mecanismo en horas
Τi=13126 h Τ7
Mecanismo de giro αi=0.25
Τi=5209 h Τ5
Mecanismo de traslación αi=0.10
Τi=2084 h Τ4
GRÚAS
MOTORES
Motores de corriente continua:
Motores trifásicos asíncronos de anillos rozantes:
•Se utilizan cuando:•se requiere un amplio margen de regulación de velocidad•la potencia es > 200 KW
•Son los que más se utilizan•Son más:
•Compactos•Baratos•Fiables
Motores trifásicos asíncronos de jaula de ardilla:•Se emplean en:
•Polipastos•Puentes grúas pequeños•Traslación de puentes
Accionamientos de poca potencia
26
GRÚAS
MOTORES
• Cálculo de potencia:
2e
G VP = [CV]4500 η
⋅⋅
Movimientos de elevación
Movimientos de traslación1 2
t(G +G ) W VP = [CV]
4500000 η⋅ ⋅
⋅
Potencia en continuo
G1: peso muerto (carro, puente, etc.) [daN]G2: carga + accesorios [daN]V: velocidad [m/min]η: rendimiento mecánicoW: coeficiente de rozamiento
7 para cojinete de rodamiento20 para cojinete de deslizamiento
GRÚAS
MOTORES
Par necesario para la aceleración:
MA = Mw + Mb [daNm]
Par de arranque = par resistente + par de aceleración
22 21 21
(G +G ) dGD [daNm ]η
⋅=
21 1
ba
GD nM [daNm]
375 t⋅
=⋅
∑tw
1
716 PM [daNm]n
⋅=
Masas movidas linealmente
Masas rotativas2
2 2 221 2 2
1
nGD GD [daNm ]n
=
n1: velocidad del motor en rpmΣGD1
2: suma de pares de inercia referidos al eje motorta: tiempo de aceleración:
Elevación, cierre cuchara = 2 sgTraslación carro o puente grúa, giro = 4 sgTraslación pórtico = 6 sg
V: velocidad lineal de la masa1
Vd [m]π n
=⋅
El par de arranque sólo se debe considerar en motores de traslación
27
GRÚAS
MOTORES
GRÚAS
MOTORES
Potencia necesaria para vencer la resistencia del viento:
v vS VP F [CV]
4500 η⋅
= ⋅⋅
Fv: presión del viento [daN/m2]S: superficie expuesta al viento
Para seleccionar un motor de traslación:t v
w b
Potencia motor P +P [CV]
Par max. motor M +M [daNm]
≥
≥
Para seleccionar un motor de elevación:
e vPotencia motor P +P [CV]≥
Recommended