Memoria de Cálculo Estructural de un balso

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MEMORIA DE CALCULO ESTRUCTURAL

CONSTRUCCION DE UN BALSO ALZA HOMBRES

1.0 GENERALIDADES

El Balso alza hombres es una estructura metálica compuesta por una serie de tubos, ángulos de lados iguales, uniones bridadas, cartelas de acero, orejas con planchas de ½” de espesor, pernos, todas ellas que unidos forman una canastilla (balso), la cual servirá para el trabajo en altura en zonas externas de una edificación.

Descripción del Proyecto:

El proyecto arquitectónico contempla la construcción de un balso, donde se ubicaran a dos personas, para realizar trabajos de mantenimiento en altura, y en las partes externas de una estructura.

Este elemento será izado y bajado por medio de cuatro cables de acero, los que estarán sujetos a cuatro orejas de planchas de acero de ½”.

La estructura estará formada por:

tubos tipo SCH40 de 1 ¼” y 1 ½” de 1/8” de espesor. Angulos de 1 ½” x 1 ½” x 3/16” Plancha estriada de 1/8” en la base del balso. Atiezadores, formadas por planchas de ¼” de espesor. Ganchos formados por planchas de ½” de espesor.

Todos estos elementos unidos entre si formaran una canasta de 0.842 x 1.442 de plataforma, con una altura de 2.155 mt

Justificación del Proyecto Estructural elegido

Con el objeto de lograr que la canasta tenga un adecuado comportamiento ante las cargas de servicio y cargas ultimas actuantes, es necesario lograr crear líneas de resistencia, dándole rigidez y estabilidad lateral y vertical con la inclusión de cartelas o planchas atiezadoras.

2.0 CONCEPCION ESTRUCTURAL

De acuerdo a la necesidad de brindar la máxima seguridad a las personas que realizaran trabajos en espacios libres y abiertos en altura, la estructura deberá de mantenerse estable e indeformable ante la acción de:

Cargas de servicio cargas ultimas cargas de impacto.

La Normas Técnicas de Edificación, las Normas de Seguridad y los códigos de diseño vigentes, establecen condiciones mínimas para que las edificaciones diseñadas según sus requerimientos tengan un comportamiento adecuado.

3.0 NORMAS Y CODIGOS DE DISEÑO:

Se aplicarán las Normas Peruanas y las Normas Americanas:

Reglamento Nacional de Edificaciones Norma Técnica de Edificación E-020 Cargas. Norma Técnica de Edificación E-xxx Estructuras Metálicas Aceros Estructurales ASTM Método LRFD Método del ASD Norma AISC – LRFD 99 o posterior Códigos del AISC

4.0 CARGAS DE DISEÑO

INGENIERIA ESTRUCTURALDomicilio: Calle Internacional Nº 217 Manuel Prado - Cooperativa 58 Paucarpata

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Cargas Muertas ó Peso Propio:

Son las cargas verticales debidas a peso propio de los elementos estructurales y no estructurales, incluyendo equipos, tuberías, ductos, conductos eléctricos y elementos fijos a las estructuras.

En este ítem se consideran el peso propio de los elementos estructurales, además el peso sostenido de la plancha estriada.

Cargas Vivas o Sobrecarga:

Son las cargas de gravedad que actúa sobre la estructura y que puede variar de posición y valor también denominadas cargas móviles, las cuales se calcularan de acuerdo a las especificadas en la presente norma.

Para lo cual el RNC considera las siguientes cargas:

Estructuras LivianasSobrecarga 30 kg/m2Carga de Montaje 20 kg/m2

Cargas de Viento:

Todas las estructuras están sujetas a la acción del viento en especial en aquellas zonas donde la velocidad del viento es significativa o en aquellas estructuras que por su forma son más vulnerables a los efectos aerodinámicos. Aunque el viento tiene naturaleza dinámica, es satisfactorio tratar al viento como una carga estática.

Cargas de Impacto:

Por la naturaleza de su trabajo y condiciones de izamiento, montaje y desmontaje, esta estructura está sujeta a la acción de cargas de impacto, la cual se tomara como un 25% de la carga viva factorizada.

Condiciones de Carga:

Para el cálculo de los máximos esfuerzos, en el diseño de la estructura liviana, se usan las combinaciones del método LRFD.

Combo 1: U = 1.4 DCombo 2: U = 1.2 D + 1.6 Lr + 0.5 SCombo 3: U = 1.2 D + 1.6 Lr + 0.8 WCombo 4: U = 1.2 D + 1.3 W + 0.5 L + 0.5 SCombo 5: U = 1.2 D + 1.5 E + 0.5 L ó 0.2 S Combo 6: U = 0.9 D - 1.3 W ó 1.5 E

5.0 PARAMETROS DE DISEÑO

Para el análisis y diseño del sistema estructural propuesto, usaremos los siguientes metodos contemplados en el AISC.

Metodo LRFD-AISC para el canastoMetodo del ASD para el diseño de las orejas.

6.0 ANALISIS ESTRUCTURAL

Para el calculo y diseño estructural, se hizo uso del programa SAP 2000 del grupo CSI Berkeley , cada una de sus partes deberá ser diseñada y construidas para resistir las solicitaciones determinadas en la presente norma.

Debe considerarse el posible efecto de los elementos no estructurales en el comportamiento de la estructura, el análisis y detallado del refuerzo y anclaje deberá hacerse acorde con esta consideración.


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Según el Reglamento Nacional de edificaciones en la NTE 020 Cargas, la velocidad de diseño hasta 10.00 m de altura será la velocidad máxima adecuada a la zona de ubicación de la edificación pero no menos de 75.00 km/h.

La velocidad de diseño del viento en cada altura de la edificación se obtendrá de la siguiente expresión:

Según el mapa eolico elaborado por la UNI, se presentan diferentes Isotacas que permiten establecer la velocidad máxima esperada en diversos puntos del territorio nacional, tenemos para la ciudad de Arequipa, departamento de Arequipa los siguientes datos:

V = 80.00 km/hora

Vh = 84.02 km/h

Carga exterior de viento:

Ph = 0.005 x C x Vh2

Ph = 0.005 x C x 84.022

Ph = 35.30 x C

Calculo de los factores de forma adimensional C (Tabla 5.4 Reglamento Nacional de Edificaciones – Norma Cargas)

Superficies inclinadas de 0º a 15º Barlovento: C = + 0.3

Sotavento: C = - 0.6

Calculo de los factores de forma para calcular el efecto combinado de presiones interiores y exteriores:

C1 = ± 0.3 + 0.8 C1 = 1.1C2 = ± 0.3 - 0.6 C2 = - 0.9C3 = ± 0.3 - 0.6 C3 = - 0.9C4 = ± 0.3 +0.3 C4 = 0.6C5 = ± 0.3 – 0.6 C5 = - 0.9

Donde: el signo negativo indica succión y el signo positivo indica presión.

Para el caso de la canstilla las fuerzas de viento las consideramos actuando en una sola direccion,Considerando una altura promedio mayor a los 10.00 m para lograr que sobre esta estructura las cargas actuantes no sean insignificantes.

A continuación presentamos un grafico donde mostramos la ccion de las cargas de viento sobre una estructura.


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por lo tanto la carga de viento actuante será:

Ph1 = 38.83 kg/m2

Ph2 = -31.77 kg/m2

Ph3 = -31.77 kg/m2

Ph4 = 21.18 kg/m2

Ph5 = -31.77 kg/m2

7.0 ANALISIS Y DISEÑO ESTRUCTUTRAL

Para realizar el Análisis Estructural, se utilizo el programa Sap2000 V10.08 del grupo CSI el diseño de sus elementos de acuerdo a las Normas Americanas.

1. METODO Y BASES DE DISEÑO

Al mencionar esfuerzos en el método LRFD se advierte no confundir con los llamados esfuerzos unitarios que se dan en el método ASD.

Esfuerzos son las acciones internas que se generan en los miembros y que requieren un tipo definido de resistencia.

Factores de resistencia: Ф

0.90 sección total en tracción0.75 sección neta de conexión en tracción0.90 miembros en flexión0.85 miembros en compresión axial0.75 pernos en tracción

En las figuras adjuntas (anexos) tenemos la vista espacial de estructura para el análisis estático empleando el programa SAP 2000.

8.0 ESPECIFICACIONES DE MATERIALES

Estructuras de Acero A36 fy 2530 kg/cm2

9.0 RESULTADOS Y DISEÑO DE LOS ELEMENTOS


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Luego de haber realizado el análisis i diseño estructural se obtuvieron los siguientes resultados, y el diseño de los mismos se realizo empleado los algoritmos de diseño del programa y se comprobó algunos diseños empleando el programa Section Builder del Grupo CSI Berkeley.

La pieza de sostenimiento de la canasta compuesta por perfiles y tubos de acero, necesaria para efectuar trabajos de mantenimiento de edificaciones industriales, es necesaria que cumpla con todos los estándares de seguridad para así no poner en riesgo a las personas que trabajen en estas condiciones.

La pieza estará sujeta a esfuerzos de corte por tracción y corte por flexión generadas por las cargas muertas debidas al peso propio de la estructura, y cargas vivas adicionadas por las 2 personas que ocupen el área de trabajo.

Diseño de la oreja:

Cargas actuantes:

Peso propio 171.13 kgSobre carga 200 kg Dos personasCargas de impacto 25 % de carga viva

Luego tenemos:

Carga Ultima en servicio: con factor de seguridad 5

Peso propio: 855.65 kgSobrecarga: 1000.00 kg

Carga última = 1.4 Wd + 1.6 Wl + 0.25 Wl

Vu = 1.4 x 855.65 + 1.6 x 1000 + 0.25 x 1000

Vu = 3047.91 kg

Diseño de elementos por corte y tracción:

Pnf = Ø * Ag * Fy

Ag = Pnf / ( Ø fy) donde: Pnf = 3047.91 kg Ø = 0.50 factor de seguridad Fy = 2530.00 kg/cm2

Ag = 3047.91 kg / (0.50 x 2530 kg/cm2)

Ag = 2.40 cm2

Para una plancha de ½” e = 12.5 mm

T = 2.40 cm2 / 1.25 cm

T = 1.93 cm por lo tanto

t = 2.40 cm (esfuerzos de corte por tracción)

Luego el peralte de la oreja debe de ser igual o mayor a 24.00 mm ó 2.40 cm.

Diseño de pernos en las bridas de union:

Carga axial actuante en cada brida: F = 3048.00 kg/6F = 508.00 kgAg = 508.00 kg/(0.5 x 2530) kg/cm2Ag = 0.3145 cm2


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La seccion del perno empleada es de 2.00 cm2 para un Diámetro de Ø 5/8”, por lo tanto las secciones son adecuadas.

Arequipa, Setiembre del 2008

Vista tridimensional del Modelo

Resultados del Análisis y Diseño:

Peso de la Canastilla

TABLE: Groups 3 - Masses and Weights

GroupName SelfMass SelfWeight TotalMassX TotalMassY TotalMassZ

Text Kgf-s2/mm Kgf Kgf-s2/mm Kgf-s2/mm Kgf-s2/mm

ALL 0,0175 171,13 0,0175 0,0175 0,0175

TABLE: Material List 1 - By Object Type

ObjectType Material TotalWeight NumPieces

Text Text Kgf Unitless

Frame A36 140,16 76

Area A36 30,97

TABLE: Material List 2 - By Section Property

Section ObjectType NumPieces TotalLength TotalWeight


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Text Text Unitless mm Kgf

L1.5X1.5X3/16 Frame 22 8536 22,78

TB-1-1/4 Frame 30 16786 56,94

TB-1-1/2 Frame 22 14871,66 59,46

OREJA Frame 2 200 0,98

PLANCHAPISO Area 30,97Resultado del diseño de los elementos:

TABLE: Steel Design 1 - Summary Data - AISC-LRFD93

Frame DesignSect DesignType Status Ratio RatioType Combo Location

Text Text Text Text Unitless Text Text mm

10 TB-1-1/4 Beam No Messages 0,016081 PMM UDSTL2 0




18 TB-1-1/4 Column No Messages 0,000977 PMM UDSTL2 186




























81 L1.5X1.5X3/16 Beam No Messages 0,201641 PMM UDSTL2 0










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3 OREJA Beam No Messages 0,062898 PMM UDSTL2 100

4 OREJA Beam No Messages 0,062914 PMM UDSTL2 100

Propiedades de las Secciones

TABLE: Frame Section Properties 01 - General

SectionName Material Shape t3 t2 tf tw Area TotalWt TotalMass

Text Text Text mm mm mm mm mm2 Kgf Kgf-s2/mm

L1.5X1.5X3/16 A36 Angle 38,1 38,1 4,763 4,763 340 22,78 0,0023

OREJA A36 Rectangular 50 12,5 625 0,98 0,0001

TB-1-1/2 A36 Pipe 48,3 3,63 509,42 59,46 0,0061

TB-1-1/4 A36 Pipe 42,2 3,56 432,15 56,94 0,0058

TABLE: Material List 2 - By Section Property


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Section ObjectType NumPieces TotalLength TotalWeight

Text Text Unitless mm Kgf

L1.5X1.5X3/16 Frame 22 8536 22,78

TB-1-1/4 Frame 30 16786 56,94

TB-1-1/2 Frame 22 14871,66 59,46

OREJA Frame 2 200 0,98

Reporte de diseño de elementos Sap

Diseño de los elemntos en planta


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Diseño de los elementos en vista tridimensional


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