“AÑO DE LA INTEGRACION NACIONAL Y EL RECONOCIMIENTO DE NUESTRA DIVERSIDAD”

FACULTAD DE INGENIERIA

ESPECIALIDAD CIVIL

CATEDRA : DISEÑO EN ACERO

CATEDRÁTICO: ING. FABIAN BRÑEZ, Alcides Luis

ALUMNO S : CANORIO VASQUEZ, Waldo Vidal.

CORTEZ CABALLERO., Eduardo Martin

DISEÑO DE UNA NAVE INDUSTRIALCON PUENTE GRUA

CICLO : X

HUANCAYO – 2012-I

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.

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.

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

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

BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………….………….42

ANEXOS

CAPITULO I

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.

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 y de los elementos estructurales constitutivos de la nave industrial.

1.2.- Objetivo

El objetivo general es realizar el Diseño Sísmico de una Nave Industrial con un

Puente Grúa considerando desplazamientos prudentes con fines de protección. El diseño

estará basado según la norma E.030 considerando un coeficiente de uso e importancia

U=1 y será instalado en un parque industrial de Huancayo utilizando como herramienta de

cálculo el sap2000 v14. y conocimientos obtenidos durante la cátedra del ingeniero Fabian

Brañez, Alcides Luis en el curso Diseño de Acero.

1.3.- 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.

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.

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.

Figura 1.1 Nave industrial con Puente grúa y componentes

Vista de una nave industrial del sector metal mecánico

CAPITULO II

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

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

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.

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.

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:

Huancayo está situado en la zona 2 (Z=0,3).

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)

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=6C 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

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.

Joint OutputCase StepType X Y DRIFTx DRIFTyText Text Text Mm mm Δh/ΔH Δh/ΔH

3 QUAKEx;QUAKEy Max 0.946 0.401374 0.0007 0.00028 QUAKEx;QUAKEy Max 0.922 2.176582 0.0007 0.001013 QUAKEx;QUAKEy Max 0.913 3.037784 0.0007 0.001418 QUAKEx;QUAKEy Max 0.922 2.176583 0.0007 0.001023 QUAKEx;QUAKEy Max 0.946 0.401373 0.0007 0.000228 QUAKEx;QUAKEy Max 0.946 0.401374 0.0007 0.000233 QUAKEx;QUAKEy Max 0.922 2.176583 0.0007 0.001038 QUAKEx;QUAKEy Max 0.913 3.037784 0.0007 0.001443 QUAKEx;QUAKEy Max 0.922 2.176582 0.0007 0.001048 QUAKEx;QUAKEy Max 0.946 0.401373 0.0007 0.000253 QUAKEx;QUAKEy Max 1.438 0.401541 0.0011 0.000258 QUAKEx;QUAKEy Max 1.748 0.401869 0.0013 0.000263 QUAKEx;QUAKEy Max 2.034 0.402629 0.0015 0.000268 QUAKEx;QUAKEy Max 2.130 0.403723 0.0016 0.000273 QUAKEx;QUAKEy Max 2.897 0.405904 0.0022 0.000278 QUAKEx;QUAKEy Max 2.897 0.405904 0.0022 0.000283 QUAKEx;QUAKEy Max 2.130 0.403723 0.0016 0.000288 QUAKEx;QUAKEy Max 2.034 0.402629 0.0015 0.000293 QUAKEx;QUAKEy Max 1.748 0.401869 0.0013 0.000298 QUAKEx;QUAKEy Max 1.438 0.401541 0.0011 0.0002103 QUAKEx;QUAKEy Max 1.438 0.401541 0.0011 0.0002108 QUAKEx;QUAKEy Max 1.748 0.401869 0.0013 0.0002113 QUAKEx;QUAKEy Max 2.034 0.402629 0.0015 0.0002118 QUAKEx;QUAKEy Max 2.130 0.403723 0.0016 0.0002123 QUAKEx;QUAKEy Max 2.897 0.405904 0.0022 0.0002128 QUAKEx;QUAKEy Max 2.897 0.405904 0.0022 0.0002133 QUAKEx;QUAKEy Max 2.130 0.403723 0.0016 0.0002138 QUAKEx;QUAKEy Max 2.034 0.402629 0.0015 0.0002143 QUAKEx;QUAKEy Max 1.748 0.401868 0.0013 0.0002148 QUAKEx;QUAKEy Max 1.438 0.401541 0.0011 0.0002185 QUAKEx;QUAKEy Max 5.090 0.407881 0.0038 0.0002186 QUAKEx;QUAKEy Max 5.090 0.407881 0.0038 0.0002

Tabla 2.3 A

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 TotalWeighh t

Text Text Unitless M TM

W10X19 Vigas amarre de columnas 68 384.0 10.9283

WT4X9 Arriostre tipo X en techo y 192 1407.4 18.7437

paredesW16X36 Columnas parte frontal 24 77.0 4.1331

W16X45 Columnas parte lateral y 96 520.8 35.0726techo

W16X77 Viga carrilera 22 132.0 15.1066

Puente Viga principal del puente 1 20.0 5.3595

Correas techo 198 1188 6.534C150x50x15x2,5

Tabla 2.3 BDe 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