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.
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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)
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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
8 QUAKEx;QUAKEy Max 0.922 2.176582 0.0007 0.0010
13 QUAKEx;QUAKEy Max 0.913 3.037784 0.0007 0.0014
18 QUAKEx;QUAKEy Max 0.922 2.176583 0.0007 0.0010
23 QUAKEx;QUAKEy Max 0.946 0.401373 0.0007 0.0002
28 QUAKEx;QUAKEy Max 0.946 0.401374 0.0007 0.0002
33 QUAKEx;QUAKEy Max 0.922 2.176583 0.0007 0.0010
38 QUAKEx;QUAKEy Max 0.913 3.037784 0.0007 0.0014
43 QUAKEx;QUAKEy Max 0.922 2.176582 0.0007 0.0010
48 QUAKEx;QUAKEy Max 0.946 0.401373 0.0007 0.0002
53 QUAKEx;QUAKEy Max 1.438 0.401541 0.0011 0.0002
58 QUAKEx;QUAKEy Max 1.748 0.401869 0.0013 0.0002
63 QUAKEx;QUAKEy Max 2.034 0.402629 0.0015 0.0002
68 QUAKEx;QUAKEy Max 2.130 0.403723 0.0016 0.0002
73 QUAKEx;QUAKEy Max 2.897 0.405904 0.0022 0.0002
78 QUAKEx;QUAKEy Max 2.897 0.405904 0.0022 0.0002
83 QUAKEx;QUAKEy Max 2.130 0.403723 0.0016 0.0002
88 QUAKEx;QUAKEy Max 2.034 0.402629 0.0015 0.0002
93 QUAKEx;QUAKEy Max 1.748 0.401869 0.0013 0.0002
98 QUAKEx;QUAKEy Max 1.438 0.401541 0.0011 0.0002
103 QUAKEx;QUAKEy Max 1.438 0.401541 0.0011 0.0002
108 QUAKEx;QUAKEy Max 1.748 0.401869 0.0013 0.0002
113 QUAKEx;QUAKEy Max 2.034 0.402629 0.0015 0.0002
118 QUAKEx;QUAKEy Max 2.130 0.403723 0.0016 0.0002
123 QUAKEx;QUAKEy Max 2.897 0.405904 0.0022 0.0002
128 QUAKEx;QUAKEy Max 2.897 0.405904 0.0022 0.0002
133 QUAKEx;QUAKEy Max 2.130 0.403723 0.0016 0.0002
138 QUAKEx;QUAKEy Max 2.034 0.402629 0.0015 0.0002
143 QUAKEx;QUAKEy Max 1.748 0.401868 0.0013 0.0002
148 QUAKEx;QUAKEy Max 1.438 0.401541 0.0011 0.0002
185 QUAKEx;QUAKEy Max 5.090 0.407881 0.0038 0.0002
186 QUAKEx;QUAKEy Max 5.090 0.407881 0.0038 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 tabla 3-10
Manual AISC tabla 3-2
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 tabla 4-22
Manual AISC tabla 3-10
Manual AISC tabla 3-2
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
Manual AISC tabla 3-2
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.
23
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.
25
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