diseno estructural de un puente grua

EEESSSCCCUUUEEELLLAAA PPPOOOLLLIIITTTÉÉÉCCCNNNIIICCCAAA NNNAAACCCIIIOOONNNAAALLL

Facultad de Ingeniería Mecánica

Estructuras Metálicas

Proyecto Final

Tema: Diseño estructural de un puente grúa tipo

Integrantes:

Santiago Morales

César Silva

Semestre: Noveno

Fecha de entrega: sábado 15 de enero de 2011

Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________Estructuras Metálicas

- 1 -

ÍNDICE DE CONTENIDO

CAPÍTULO I

1.1. Introducción .....................................................................................................3

1.2 Planteamiento del problema ..............................................................................3

1.3 Objetivos ...........................................................................................................4

1.3.1 Objetivo general .........................................................................................4

1.3.2 Objetivos específicos ..................................................................................4

CAPÍTULO II

2.1 Fundamentos de los puentes grúa ....................................................................4

2.2. Concepto..........................................................................................................5

2.3 Características y tipos de puentes grúa ............................................................5

2.3.1 Puente grúa monorriel ................................................................................5

2.3.2 Puente grúa birriel ......................................................................................6

2.3.3 Puente grúa pórtico ....................................................................................6

2.3.4 Puente grúa semipórtico .............................................................................8

2.4 Partes del puente grúa ......................................................................................8

2.4.1 Viga ............................................................................................................9

2.4.2 Testero .......................................................................................................9

2.4.3 Motores de movimiento general ................................................................10

2.4.4 Mandos de puente grúa ............................................................................10

2.4.5 Polipasto ...................................................................................................11

2.4.6 Línea de alimentación ...............................................................................11

2.4.7 Gancho .....................................................................................................12

CAPÍTULO III.

3.1 Procedimiento de diseño……………………………………………………………13


- 2 -

3.2 Diseño de Columnas………………………………………………………………..13

3.2.1 Identificación de las cargas que intervienen en el problema…………..…13

3.2.1.1 Carga W …………………………………………………………………15

3.2.1.1.1 Carga muerta MW ………………………………………………….15

3.2.1.1.2 Carga viva VW …………………………………………………..…20

3.2.1.2 Carga de Sismo SSW…………………………………………………...20

3.2.2 Diseño de la columna principal (elemento c fig. 1)……………………….22

3.2.2.1 DCL del pórtico………………………………………………………….23

3.2.2.2 DCL de la columna……………………………………………………..25

3.2.3 Diseño de la columna secundaria (elemento b fig. 1)……………………..…30

3.2.3.1 DCL general del pórtico sin las columnas base……………………….30

3.2.3.2 DCL de la columna……………………………………………………….31

3.3 Diseño de la placa base para la columna principal inferior…………………..…35

3.4 Diseño de la sección inclinada……………………………………………………..39

3.5 Diseño de cimentaciones…………………………………………………………...46

3.5.1 Cálculo………………………………………………………………………….49

3.5.1.1 Diámetro mínimo de los pernos……………………………………….50

3.5.1.2 Determinación de la longitud efectiva del perno……………………..51

3.5.1.3 Esfuerzo de adherencia………………………………………………...52

3.5.1.4 Longitud total del perno………………………………………………...53

3.5.1.5 Longitud del ala del perno…………………………………………...…53

3.5.2 Determinación del ala del perno……………………………………………..53

3.6 Diseño de la viga carrilera………………………………………………………….54

3.7 Diseño final del pórtico……………………………………………………………...58

ANEXOS………………………………………………………………………………….62


- 3 -

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA TIPO

CAPITULO I

1.1. Introducción.

A nivel industrial se utiliza ampliamente el puente grúa, el cual es un equipo que

ofrece levantar y trasladar cualquier material o equipo con gran facilidad. Es un

tipo de aparato de elevación compuesto por una viga, simple o doble, biapoyada

sobre dos carriles elevados sobre unos postes, dispuestos sobre una estructura

resistente. El movimiento longitudinal se lleva a cabo mediante la translación de la

viga principal o puente a través de los carriles elevados. En la práctica totalidad de

los casos, la rodadura es por ruedas metálicas sobre carriles también metálicos.

El movimiento transversal se realiza mediante el desplazamiento de un polipasto o

carro sobre uno o dos carriles dispuestos sobre la viga principal.

El movimiento vertical se ejecuta a través del mecanismo de elevación: polipasto o

carro.

1.2 Planteamiento del problema.

Los países en desarrollo requieren de un aparato productivo que pueda satisfacer

las necesidades de la industria en sus diferentes áreas. Una de estas áreas es la

metalmecánica, la cual apoya y aporta al desarrollo productivo de sectores

estratégicos tales como el petrolero, la construcción, la minería, etc.

Por lo tanto, es fundamental el aporte que pueda brindar la universidad a la

industria metalmecánica mediante el desarrollo del presente proyecto, el mismo

que será una herramienta que pueda utilizar el empresario que desee montar una

industria metalmecánica.

Al aplicar las normas y estándares internacionales en este tipo de estructuras, el

prototipo diseñado cumplirá con los requerimientos de seguridad y funcionalidad

de la industria metalmecánica.


- 4 -

Los resultados obtenidos con el estudio permitirán al empresario tener una

herramienta que pueda utilizar para realizar un proyecto metalmecánico.

Las características de la instalación donde operara nuestro diseño es considerado

tomando en cuenta las prestaciones actuales y las mejoras que requieren las

industrias locales, dicha información se halla contenida en el anexo #1.

1.3 Objetivos.

1.3.1 Objetivo general.

Diseñar un puente grúa tipo, para una industria metalmecánica.

1.3.2 Objetivos específicos.

Desarrollar la industria metalmecánica lo cual genera ventajas al aparato

productivo del país.

Obtener el diseño de un sistema estructural que sirva de base para las

necesidades de infraestructura de una industria metalmecánica.

Minimizar los tiempos de fabricación y montaje.

Satisfacer las necesidades del sector productivo mediante la implementación

del puente grúa tipo.

CAPÍTULO II

2.1 Fundamentos de los puentes grúa

En el campo industrial, para el manejo de materiales en tarimas conviene un

transporte propio y específico, como podría ser el montacargas. Pero algunos

trabajos de manejo de material no pueden llevarse a cabo con tal vehículo. Cargas

más grandes, más pesadas y/o más incomodas requieren la versatilidad de una

grúa, especialmente si el recorrido de transporte es complicado.


- 5 -

2.2 Conceptos.

La grúa es una herramienta de la industria de la construcción, también utilizada

para la elevación y transporte de carga que, instalado sobre vías elevadas permite

a través de su elemento de elevación (polipasto) y de su carro, cubrir toda la

superficie rectangular entre la que se encuentra instalado.

2.3 Características y tipos de puentes grúa ya existentes.

Los puente grúa son aparatos destinados al transporte de materiales y cargas en

rangos de 1-500 Tm. Por medio de desplazamientos verticales y horizontales en el

interior y exterior de industrias y almacenes. Consta de una o dos vigas móviles

sobre vigas carrileras, apoyada en columnas, a lo largo de dos paredes opuestas

al edificio rectangular.

2.3.1 Puente grúa monorraíl.

El puente grúa monorraíl está constituido por una viga y es una solución eficaz

para mover cargas cuando resulta necesario aprovechar toda la altura disponible

del local y el edificio no es extremadamente ancho.

Los puentes grúa de este tipo disponen de doble velocidad en todos los

movimientos (elevación, traslación del carro y traslación del puente) y están

equipados con polipastos como se muestra en la figura 01.


- 6 -

Fig. 01. Puente grúa monorraíl.

2.3.2 Puente grúa birriel.

Consta de doble viga donde se apoya el carro que sustenta el polipasto figura 02.

Este modelo permite alcanzar la máxima altura del gancho. Es ideal para cargas

elevadas o naves con luz media o grande. La capacidad total de carga puede

alcanzar 500 Tm.

Fig. 02. Puente grúa birriel.

2.3.3 Puente grúa pórtico.

Puede monorriel o birriel y se diferencia de las anteriores por que la o las vigas

están conectadas fijas al pórtico y el mismo pórtico el que se traslada a lo largo de

la instalación, esto se puede observar en la figura 03 mostrada a continuación.


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Fig. 03 Puente grúa pórtico.

2.3.4 Grúas semipórtico.

Es una estructura que desde un lado tiene una perspectiva de puente grúa y

desde el otro es un puente monorriel o birriel. En uno de los lados consiste en una

serie de columnas fijas u por el otro en columnas móviles que va fija a la viga de

carga. La función de la columna móvil es la de desplazarse a la misma altura de la

carga a través de un riel que se encuentra sujeto al suelo, observar figura 04.

Fig. 04 Puente grúa semipórtico.

2.4 Partes de un Puente Grúa.


- 8 -

En la figura XX mostrada a continuación se presentan los componentes típicos de

un puente grúa.

Fig. 05 Partes de un Puente Grúa Monorriel

1. Armario traslación 12. Soportes protección mangueras

2. Armario del polipasto 13. Botonera con conector

3. Final carrera de elevación 14. Soportes de las mangueras

4. Brazo arrastrador alimentación del carro 15. Empalme perfil

5. Soporte fijación 16. Soporte deslizante

6. Carritos 17. Soporte para conducción cable

7. Motor longitudinal 18. Limitador de carga

8. Brazo tomacorrientes 19. Final carrera de traslación carro


- 9 -

9. Armario traslación 20. Tope accionamiento final carro.

10. Final carrera traslación puente 21. Radio (opcional).

11. Tope final 22. Topes en carro en mono viga.

A continuación se detalla las partes principales que comprende el puente grúa.

2.4.1 Vigas.

Es el miembro principal de carga, constituido por perfiles estructurales cargados

transversalmente al eje de la viga generando esfuerzos de flexión. Ver figura 06

Fig. 06 Vigas de un Puente Grúa

2.4.2 Testeros.

Son carros de traslación que mueven la viga principal del puente a lo largo de su

corredera. Ver figura 07

Fig. 07 Testeros.


- 10 -

2.4.3 Motores de movimiento longitudinal.

Como se puede ver en la figura 08 los motores aportan con la energía motriz a los

testeros para mover el puente grúa en su movimiento longitudinal a lo largo de la

carrilera.

Fig. 08 Motores de Movimiento Longitudinal

2.4.4 Mandos de puente grúa.

Son utilizados para el manejo del puente. Están constituidos por una serie de

botones los cuales permiten el traslado adecuado de la carga ya sea horizontal o

verticalmente y los movimientos de los carros del puente. Los mandos lo puede

realizar una persona desde el piso o desde la cabina de control si es que el puente

lo tiene. Ver figura 09.

Fig. 09 Mandos de Puente Grúa desde piso o cabina.


- 11 -

2.4.5 Polipasto.

Constituye el componente que está sujeto a la viga principal del puente el cual es

utilizado para elevar cargas desde.

Existen elementos que pueden adicionarse como: gancho de suspensión, carro de

traslación manual o eléctrica, cable botonera más largo, cadena, transmisión

eléctrica con línea de arrastre o deslizante, botonera de mando desplazable. Ver

figura 10

Fig.10 Polipasto

2.4.6 Línea de alimentación.

Constituyen todos los cables que energizan los motores de movimientos de los

carros y el motor de elevación de carga.


- 12 -

Fig. 11 Cables de Alimentación.

2.4.7 Ganchos.

El cancho es el elemento al que se acopla a la carga. Ver figura 12.

Fig. 12 Gancho.


- 13 -

CAPÍTULO III

3.1 Procedimiento de diseño.

El procedimiento de diseño estructural consiste:

a) Determinación de los parámetros funcionales.

b) Selección del tipo de estructura.

c) Determinar las cargas que actúan sobre ella.

d) Determinación de los momentos y fuerzas internas en los componentes

estructurales.

e) Selección del material y dimensiones de los miembros y conexiones para

logara seguridad y economía.

f) Revisión del comportamiento de la estructura en servicio.

g) Revisión final.

h) Establecimiento del protocolo de pruebas.

3.3 Diseño de Columnas.-

3.2.1 Identificación de las cargas que intervienen en el problema:

Diagrama del cuerpo libre general


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Fig. 13 Esquema general de las cargas

Análisis del ancho colaborante Ac:

Fig. 14 Especificación del ancho colaborante para el análisis del pórtico

Determinación de la geometría faltante del problema:

A 10 / cos15 10,353 m

, longitud de la viga inclinada

d a sin15 2,679 m, altura desde el final de B hasta el tope de la estructura


- 15 -

3.2.1.1 Carga W

Representa la suma de la carga muerta MW y la carga viva VW

M VW W W

3.2.1.1.1 Carga muerta MW

M PP SW W W

Donde:

PPW es la carga de peso propio

SW es la carga de seguridad

a. Carga de peso propio PPW

PP X Y ZW W W W W '

Donde

XW es el peso de la estructura (del pórtico)

YW es el peso de los canales entre los perfiles A y la cubierta de acero

ZW es el peso de la cubierta de acero

W ' es el peso del conjunto puente grúa

a.1) Peso de la estructura XW

No sabemos los perfiles que se usan, eso es lo que estamos determinando

Asumimos que los elementos A, B y C (fig. 01) corresponden a perfiles W18x40

que son los que se planean usar para el cálculo de las columnas.

Del manual de la AISC: W18x40 → 2 2A 11,8 in 7,613E 3 m

Densidad del acero estructura A36 → 3Kg7850

m


- 16 -

XW 7,613E 3 2a 2b 2c 7850

XW 7,613E 3 2 10,353 2 1,5 2 4,5 7850

XW 1871,628 kg

a.2) Peso de los canales YW

Se considera poner 14 canales tipo C 150x50x3 para el acople entre los perfiles A

y la cubierta.

Fig. 13 Geometría del perfil C que se quiere usar

2Ay 2(50 3) (144 3) mm

2Ay 7,320E 4 m

Y Y CW A A 7850 7,32E 4 6 7850 34,477 kg

a.3) Cubierta ZW

Para la cubierta nos basamos en un tiempo de cubierta “duratecho” de la casa

fabricante NOVACERO.


- 17 -

Fig. 14 Propiedades del “duratecho”

2Z

kgW " 2,17

m1

Z CW 2 2,17 A a 269,592 kg

a.4) Peso del puente grúa W '

DCL del puente grúa en posición extrema:

Fig. 15 DCL del puente grúa con el motor y polea en el extremo

1

http://www.novacero.com/ws/novacero/novacero.nsf/paginasc/56183406A14601558825715D00837E75?OpenDocument


- 18 -

Fy 0

CW ' RA RB W

Pero para la posición extrema:

RA RB, se puede despreciar entonces el efecto de RB

W' RA Wc

Lateral en X:

Fig. 16 DCL en la sección lateral del puente

Fy 0

RA 2 RMAX

Por objeto de estudio consultamos la casa fabricante de puente grúa ABUS2

Consideramos un puente grúa birrail ZLK con una luz de 20 m y capacidad de

carga de 5 T (5 kg).

2

http://www.construnario.com/diccionario/swf/27163/@@@@Puentes%20gr%C3%BAa/Informaci%C3%B3n%20general%20de%20dise%C3%B1o%20puentes%20gr%C3%BAa.pdf


- 19 -

Tabla N° 1. Propiedades del puente grúa birrail ZLK

RMAX se refiere a la reacción máxima en la en el apoyo del puente con la viga

carrilera cuando el puente está en posición extrema y cargado.

RA 2 39,6 KN 79,2 KN

1000N kgW ' 79,2 KN 5000kg

KN 9,8N

W' 3081,633 kg

Por tanto:

PP X Y ZW W W W W '

PPW 1871,628 34,477 269,592 3081,633 kg

PPW 5257,33 kg

b. Carga de Seguridad SW


- 20 -

Según la tesis de Guerrero, “Normalización de estructuras metálicas tipo puente

grúa”, se tiene

2S

kgW '' 20m

S CW 20 2A A Kg

SW 20 2 10,353 6 2484,72 kg

Finalmente:

M PP SW W W

MW 5257,33 2484,72 7742,05 Kg

3.2.1.1.2 Carga viva VW

La única en consideración es la carga de granizo

a) Carga de granizo GW

Es 2kg100

m, considerando:

Capa de granizo en el peor de los casos 10 cm

La peor condición de lluvias y granizadas en Quito en el cordonazo de San

Francisco.

Densidad del granizo de kg

0,7l

2G C

kgW 100 2A Am

GW 100 2 10,353 6 12423,6 kg

3.2.1.2 Carga de Sismo SSW


- 21 -

Nota importante: para el cálculo de la carga de sismo nos basamos en lo que dice

el código ecuatoriano de la construcción (CEC)3

SS

P E

Z I CW CORTE BASAL V

R

Donde:

Z es el factor de zona sísmica, Z 0,4 , debido a que Quito es una zona de alto

riesgo sísmico (pág. 22, tabla 1, CEC)

I es el factor de importancia, I 1,0 , debido a que nuestra estructura no está

especificada en el listado de la norma (pág. 27, tabla 4, CEC)

C es el factor de conducción de onda del suelo

S1,25 SC

T

Donde:

S es el coeficiente del suelo, S 1,2 , en Quito se tiene un suelo tipo

Congagua que se clasifica como suelo intermedio.

T es el período de vibración (pág. 13, método 1, CEC)

3/4

T nT C h

Donde:

nh es la altura básica de la edificación medida desde la base,

nh 4,5 1,5 2,679 8,679 m

TC 0,09 para pórticos de acero

0,75T 0,09 8,679 0,46

1,21,25 1,2C 3,382

0,46

R es el factor de reducción de respuesta estructural (RW en el SAP 2000),

3 http://www.disaster-info.net/PED-Sudamerica/leyes/leyes/suramerica/ecuador/otranorm/Codigo_Ecuatoriano_Construccion.pdf


- 22 -

R 7 (pág. 31, tabla 7, CEC)

P es el coeficiente de configuración estructural de la planta

P PA PB

Donde:

PA es el mínimo valor de Pi dado en la pág 29, tabla 5, CEC. PA 1,0,

debido a que no existen irregularidades en nuestra estructura.

PB 1,0de igual manera porque no existen irregularidades en la

configuración de nuestra estructura.

P 1,0

E es el coeficiente de configuración estructural en elevación (pág. 30, tabla 6,

CEC)

E EA EB EC

E 1,0 de igual manera debido a que no hay irregularidades en nuestra

estructura.

SS

0,4 1,0 3,382W 5257,33 kg

7 1,0 1,0

SSW 0,193 5257,33 kg

SSW 1016,017 kg

Finalmente:

M VW W W 7742,05 12423,6 20165,65 kg

Wq 1008,283 kg / m

20

3.2.2 Diseño de la columna principal (elemento c fig. 1)


- 23 -

3.2.2.1 DCL del pórtico

Fig. 17 DCL del pórtico en general

TW 5 1,3 6,5T , lo que representa una condición de seguridad por si existe una

sobrecarga del 30% del puente grúa.

Fx 0

SSR1x W 1016,017 kg

Fy 0

TR1y R2y W W 0


- 24 -

R1y R2y 20165,65 6500 26665,7 kg

M1 0

SS CW 6 W 10 W X R2y 20 0

Determinar la distancia X.-

Para esto asumimos que se desea colocar:

Una columna principal (C) W18x71de 4,5 m

Una columna secundaria (B) W12x35 de 1,5 m

Se coloca una viga carrilera de asiento para el puente grúa W12 x 35

Se coloca una ménsula de 100 x 100

Se muestra esto en el siguiente gráfico:

Fig. 18 Aproximación geométrica de cómo será el extremo del puente grúa


- 25 -

No conocemos la configuración del puente grúa por lo que no es posible

determinar esta distancia X. Sin embargo con una aproximación gráfica se puede

decir que la distancia es de 50 cm.

1016,017 6 20165,65 10 6500 0,5R2y 10550 kg

20

R1y 26665,7 10550 16115,6 kg

3.2.2.2 DCL de la columna

Fig. 19 DCL resultante de la columna inferior principal

C SSM M M

M 6500 0,5 1016 1,5 4774 kg-m

RT 16115,6 6500 22615,6 kg


- 26 -

Diagramas de cortante y momento flector.-

Nos valemos del programa SAP 2000

Fig. 20 Diagrama de Cortante y Momento Flector

De los análisis del SAP se determina que el momento máximo es de:

Mmax 9346 kgf m

Análisis con carga P equivalente Peq

Peq P 0,2M


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P klb

M klb in

2,2046lb 2,2046lb inPeq 22615,6 kg 0,2 9346 kg m

kg kg 0,0254m

Peq 212,1 klb

Diseño de la columna

Vamos a realizar un procedimiento de prueba y error.-

Material: Acero A572

Propiedad Valor

Sy 50 ksi

Su 65 ksi

E 2100000 kg/cm2

Tabla N° 2.- Propiedades del acero A572

fa (real) Fa (admisible)

Fa 0,55 Sy 27,5 ksi

PFa

A

2P 212,1A 7,71 in

Fa 27,5

Del manual de la AISC observo que si fue válido haber escogido un perfil W18x71

(pág. 1-13)


- 28 -

Propiedad Valor

A (transversal) 20,8 in2

Ixx 1170 in4

Iyy 60,3 in4

rxx 7,50 in

ryy 1,70 in

Tabla N° 3.- Propiedades del perfil W18x71

Se asume que la rigidez de la columna base inferior (elemento C) debe ser mayor

en un 50% a la rigidez de la columna secundaria superior (elemento B).

C BEI 1,5 EI

Determinación del factor de esbeltez de la columna

LK

r min

rxx es el rmin por que ese es el plano donde va a trabajar el elemento (se

flexiona).

K se determina a partir de G1 y G2

G1 = 1,0 el final de la columna es rígidamente anclado

Iccolumna inferior

LcG2Ib

columnasuperiorLb

1,5 I

4,5G2 0,5

I

1,5

Con los valores de G1 y G2 se calcula K mediante el nomograma de la pág. 5-125


- 29 -

Por tanto:

in4,5 m 1,25

0,0254m30,71 31

7,50 in

Ahora bien con Sy = 50 ksi y = 31 en la pág. 5-75 determino Fa

Fa 27,03 ksi

Se determina nuevamente fa :

2

212,1 kipsfa 10,2 ksi

20,8 in

Fa 27,03F.S 2,65

fa 10,2

fa 10,2I 0,38 1

Fa 27,03

Finalmente, se ve que es correcto el escoger un perfil W18x71 para la

columna base.


- 30 -

3.2.3 Diseño de la columna secundaria (elemento b fig. 1)

3.2.3.1 DCL general del pórtico sin las columnas base

Fig. 21 DCL del pórtico sin columnas base

Fx 0

T1X 1016 kg

Fy 0

T1y T2y 20165,65 kg

M1 0

1016 1,5 20165,65 10 20 T2y 0

1016 1,5 20165,65 10T2y

20

T2y 10159,03 kg

T1y 20165,65 10159,03 10006,62 kg


- 31 -

3.2.3.2 DCL de la columna

Fig. 22 DCL de la columna secundaria superior

Del análisis con el SAP 2000:

Fuerza axial máxima:

Fig. 23 Fuerza axial – SAP 2000

T1y = -10006,62 (kg) = -22,061 (Kip)

Diagrama de momento flector y momento máximo:


- 32 -

Fig. 24 Diagrama de momento flector

Mmax = 1524 (kg-m) = 132,277 (Kip-in)


Peq P 0,2M

P klb

M klb in

Peq 22,061 (kip) 0,2 132,277 kip in 48,52 (Kip)

Diseño de la columna

Vamos a realizar un procedimiento de prueba y error.-



- 33 -

Propiedad Valor

Sy 50 ksi

Su 65 ksi

E 2100000 kg/cm2

Tabla N° 2 (repetida).- Propiedades del acero A572


Fa 0,55 Sy 27,5 ksi

PFa

A

2P 48,52A 1,76 in

Fa 27,5

Del manual de la AISC observo que si fue válido haber escogido un perfil

W12x35(pág. 1-13)

Propiedad Valor

A (transversal) 10,3 in2

Ixx 285 in4

Iyy 24,5 in4

rxx 5,25 in

ryy 1,54 in


Se asume que la rigidez de la columna base superior (elemento B) debe ser mayor

en un 50% a la rigidez de la viga techo del pórtico (elemento A).

B AEI 1,5 EI


- 34 -

Determinación del factor de esbeltez de la columna

LK

r min


flexiona).


G1 = 1,0 el final de la columna es rígidamente anclado (por medio de la soldadura

y la placa base)

Iccolumna superior

LcG2Ib

viga techoLb

1,5 I

4,5G2 3,45

I

10,353



- 35 -

Por tanto:

in1,5 m 1,6

0,0254m18

5,25 in


Fa 28,51 ksi


2

48,52 kipsfa 4,71 ksi

10,3 in

Fa 28,51F.S 6,05

fa 4,71

fa 4,71I 0,17 1

Fa 28,51

Finalmente, se ve que es correcto el escoger un perfil W12x35 para la

columna superior.

3.3 Diseño de la placa base para la columna principal inferior.

El perfil seleccionado fue un W18x71, cuyas dimensiones de acuerdo con el

manual de la AISC en milímetros son:


- 36 -

Fig. 25.- Geometría del perfil W18x71

Fig. 26 Esquema del acople placa base y columna inferior principal.

T

PB

PF'c admisible

A

Donde:

TP se determinó anteriormente en el cálculo de la columna base,

EquivP 96190 kg . Corresponde al valor que ahí se definió como la carga


- 37 -

equivalente que sería la máxima reacción ejercida por la columna a la placa

base cuando el puente grúa está en posición extrema lateral y con el máximo

de carga.

PBA es el área de la placa base que se va a usar.

F'c es el esfuerzo admisible del hormigón.

H

f 'cF'c

F.S

f 'c es el esfuerzo último del hormigón

HF.S es el factor de seguridad del hormigón, se evalúa en 4 (igual o mayor).

2

2

kg210cm kgF'c 52,5

cm4

2

PB

2

96190 kgA 1832,20 cm

kg52,5cm

Consideraciones:

Una vez más se acude al método de prueba y error. Se parte primero en

considerar las dimensiones de la sección con la cual se define unas dimensiones

mayores, tomando en cuenta que también debe haber un espacio para los pernos

de anclaje.

Probamos una placa de 600x400 mm que tiene una buena distribución de la

sección y es mayor a la mínima área calculada.


- 38 -

Fig. 27 Geometría de vista superior de la placa base supuesta y el perfil de la

columna.

Mínimo espesor resultante para una placa de 600 x 400 mm

Como se observa en la figura anterior, con la placa supuesta se tiene una

distancia n de 6.543 cm.

2kgSy 50 ksi 3402,30

cm

Esp. min.

2 22

2

kg3 52,5 6,543 cmcm

tkg0,6 3402,3

cm

t 1,819 cm 18,19 mm 1in

Por razones de disponibilidad de planchas con espesores de 1in se decide

seleccionar este espesor que es mayor al calculado.

Por lo tanto se tiene una buena selección de las placas bases al decir que se

desea que estas sean de 600x400x25 mm


- 39 -

3.4 Diseño de la sección inclinada

Fig. 28 DCL del pórtico seccionado en la mitad

Los datos de las reacciones y todas las fuerzas representadas ya se obtuvieron

anteriormente

Fy 0

R1y Wss V4y q 10m 0

V4y 16115.6 6500 1008.523x10 469.63 kg

Fx 0

V4x 1016 kg 1016 kg=0

V4x 0

Aislando la sección inclinada, seccionando en el punto 2:


- 40 -

Fig. 29 Perfil inclinado aislado

Por Fx y Fy se tiene que:

R3x 1016 kg

R3y 469.63 kg

Al principio del trabajo se había determinado todos los factores geométricos del

pórtico:

d 10.353 m

x 2.679 m

Tomando en cuenta los ejes x’ y y’ que se mostró en el anterior gráfico se puede

transformar el conjunto de fuerzas mostradas al siguiente equivalente.

Fig. 30 Resultante equivalente


- 41 -

Lo que constituye una combinación de flexión y tracción pero como consideramos

que la carga de vienta es cíclica y mueve a la estructura de un lado para el otro,

podemos considerar que en el peor de los casos este elemento puede estar a

compresión y a parte a flexión.

Como se vio en el estudio de las cargas combinadas cuando existe flexión y

tracción el efecto de la flexión se comprensa con el de la tracción.

Por tanto tomamos en cuenta el peor caso que podría llegar a pasar para analizar

nuestro pórtico:

Fig. 31 Se analiza en el peor de los casos

Fuerza de compresión = 1189.584 N = 0,267 Klbf


- 42 -

Diagramas de cortante y momento flector.-

Valiéndonos del programa SAP 2000

Fig. 32 Diagrama de cortante y momento flector del perfil inclinado

Del análisis en SAP se determina que el momento máximo es:

Mmax 120,3664 KN-m =12271.47 Kfg-m=1065.260 Klb-in


Peq P 0,2M

P klb

M klb in


- 43 -

Peq 0,267 0,2x1065.260 213.319 (Klb)

Diseño del perfil


Perfil planteado: W18X40

Propiedad Valor

Sy 50 ksi

Su 65 ksi

E 2100000 kg/cm2

Tabla N°2 repetida


Fa 0,55 Sy 27,5 ksi

PFa

A

2P 213,319A 7,757 in

Fa 27,5

Propiedades del W18X40 en el manual de la AISC (pág. 1-13)

Propiedad Valor

A (transversal) 11.8 in2

Ixx 612 in4

Iyy 19.1 in4

rxx 7.21 in

ryy 1.27 in


Se necesita mayor rigidez en el perfil inclinado debido a su longitud, por tanto se

asume que su rigidez es el doble de la columna superior que es consecutiva al

mismo (literal B, en la figura 13).


- 44 -

Determinación del factor de esbeltez del perfil inclinado:

LK

r min


flexiona).


G1 = 1,0 el final de la columna es rígidamente anclado (por medio de la soldadura

y la placa base)

Iccolumna superior

LcG2Ib

perfil techoLb

I

4,5G2 1.15 1.2

2 I

10,353


K=1,35


- 45 -

Por tanto:

in10.353 m 1.35

0,0254m76.319 76

7,21 in


Fa 19.8 ksi


2

213,319 kipsfa 18.078 ksi

11,8 in

Fa 19.8F.S 1.095

fa 18.078

fa 18.078I 0.913 1

Fa 19.8

Finalmente, se ve que es correcto el escoger un perfil W18x40 para el diseño

del perfil inclinado del pórtico, aunque es bueno considerar que el índice de

trabajo es casi cercano a 1, de todas maneras, la elección de este perfil

desde el punto de vista de la esbeltez, cumple con los requisitos de diseño.


- 46 -

3.5 Diseño de la cimentación

Fig. 33 Esquema de diseño de la cimentación

La cimentación se basa en la construcción de un plinto.

El plinto no es más que una columna de hormigón que va a soportar la zapata.

La zapata no es más que el asiento del cimiento.

Haciendo la sumatoria de fuerzas longitudinales en el perno:


- 47 -

LF 0

1 2P F F

Siendo:

F1 la fuerza de compresión en el gancho del perno

F2 la resultante de las fuerzas de adherencia entre el perno de anclaje y el

hormigón

Entonces:

p H p

Mfa a L

do

Siendo:

a el valor dato que se indica en la gráfica, está en función de la longitud de

trabajo del perno de anclaje, a ≤ 5% de la longitud de trabajo del perno de

anclaje.

H es la sumatoria de las fuerzas de adherencia

f 'c

fa F'c hormigón = resistencia última del hormigónF.S

F’c es el esfuerzo admisible del hormigón

De manera que:

Diámetro del perno.-


- 48 -

Fig. 34 Esquema del perno de anclaje

Syft Ft 1,66

F.S

Ft 0,6 Sy

4

P

Pft Ft

4

Fuerza Po.-

Fig. 35 Esquema de la columna sobre la placa base

Para 4 pernos de anclaje:


- 49 -

XM 2 Po do

Para los pernos de anclaje:

ISO 88, los que vienen con rosca, 2Sy 64 kg/mm y 2

utS 80 kg/mm

De varilla corrugada norma A-42 (INEN) 2Sy 4200 kg/cm

La zapata.-

Fig. 36 Esquema gráfico de la zapata

N Po Ai

2

N f 'sPo F's (esfuerzo admisible del suelo) F's=

A F.S

F's f(tipo del suelo)

Se tienen 3 tipos de suelo:

Rocoso 2f 'c 1000 kg/cm

Limoso, en la sierra 2f 'c 0,1 kg/cm

Arenoso, en la costa y el oriente 2f 'c 0.05 kg/cm

3.5.1 Cálculo de los pernos de anclaje.


- 50 -

Los pernos de anclaje ubicados sobre la superficie de la placa base se definen en

un número de 8 elementos, distribuidos simétricamente para que puedan funcionar

adecuadamente para cuando el momento transmitido por la columnas a la

cimentación no desestabilicen el pórtico de sus bases; Así se determina el

diámetro de cada perno como la longitud efectiva de cada uno de ellos.

Cuando un momento actué en la columna, la mitad de los pernos de anclaje van a

soportar ese momento, así el número de pernos que trabajan a tensión son 4; La

distancia entre los ejes de cada perno en el plano en que actúa el momento

determina el par que permite calcular la fuerza aplicada en cada uno de los

pernos.

xM 4.P.d

MP

4.d

d 520mm

M 4774 kg m

Carga aplicada a cada perno:

M 4774 kg mP 2295,19 kgf

5204.d4. m

1000

3.5.1.1 Diámetro mínimo de los pernos:

El esfuerzo de fluencia para los pernos se considera de los que corresponden a

los del tipo ISO 8.8 2 2

kg kg

y mm cmS 64 6400


- 51 -

2

2

tp

t y

kg

t mm

kg

t mm

Pf

4

f 0,6S

f 0,6(64 )

f 38,4

Despejando pde la ecuación anterior se tiene:

2

p kgft mm

p

4 2295,19kgf4P

.f . 38,4

8,723mm. 16mm Nocumplenorma

Este diámetro calculado representa el diámetro mínimo requerido para soportar la

carga aplicada. Según especificaciones del Euro código EA95 menciona que no

suelen emplearse pernos de diámetro inferior a 16 mm por lo que por facilidad de

encontrar una varilla de un diámetro determinado en el mercado se procede a

elevar el diámetro de la misma a la de 1 in.

3.5.1.2 Determinación de la longitud efectiva del perno.

Para determinar la longitud efectiva del perno se utiliza la siguiente relación:

' '

c p H p

'' cc

' '

H c

P F .a. F . . .L

fF ;Esfuerzo real aplicadoal hormigón.

FS

a 5% ;Ala del perno.

F fr.F ;Esfuerzo de adherencia.

fr factor de adherencia.

L :Longitudefectiva el perno.


- 52 -

2

2

2

'kg' 'c

c c cm

kg

kg' cmc cm

fF f 210 .

FS

FS 4.

210F 52,5

4

a 0,05L.

3.5.1.3 Esfuerzo de adherencia.

El esfuerzo de adherencia depende del tamaño del resalte de las corrugas del

perno de anclaje, así se tiene el factor de adherencia tomado de la siguiente tabla

en función del diámetro del perno.

Así para un diámetro de una pulgada (25,4mm) el factor correspondiente es:

fr 0,056

2 2

' '

H c

kg kg'

H cm cm

F fr.F

F 0,053.(52,5 ) 2,54

' '

c p H p

PL

F .0,05 F . .

2 2

kgf kgf

cm cm

kg kg kg

cm cm cm

2295,19kgfL

52,5 2,54cm 0,05 2,94 . . 2,54cm

2295,19kgf 2295,19L 80cm

6,6675 23,46 30,13

Como se puede observar la longitud efectiva del perno es de 80cm.


- 53 -

3.5.1.4 Longitud total del perno.

La longitud total del perno se determina a partir de la longitud efectiva del perno

más la longitud correspondiente al espesor de la placa base y por último la

longitud de roscado del perno.

T placa rosca

T

T

L L e L

L 80cm 2,54cm 5cm

L 85cm

3.5.1.5 Longitud del Ala del perno.

Corresponde al 5% de la longitud efectiva.

a 5%.L

a 0,05. 80cm 4cm

3.5.2 Determinación del área de la zapata.

El área de la zapata se determina a partir de la carga Axial equivalente que

corresponde a la mayor carga aplicada sobre el eje de la columna a transmitirse a

la cimentación.

Para determinar el área de la zapata se debe cumplir con la siguiente relación:

'

s2

NF

A

'

s

N: Carga Axial.

F :Esfuerzo admisible del suelo.


- 54 -

Se toma como parámetro que el suelo es de tipo Limoso, y por lo tanto tiene un

esfuerzo último de 2

kg

cm1 .

2

2

2

kg'kg' c cm

s cm

2 2

kg'

s cm

1fF 0,25 .

FS 4

N 79126,032kgA 316504,128cm .

F 0,25

A 562,58cm 5,63m

El cálculo anterior mostrado indica que la zapata debe cubrir un área de 5,63 m

por cada lado.

3.6 Diseño de la viga Carrilera.

Para el diseño de la misma se toma como condición extrema de trabajo que el

puente grúa este ubicado en el centro de la viga y que toda la carga del puente

grúa este ubicada en el extremo próximo a la viga carrilera.

Como se menciono anteriormente la carga de trabajo del puente grúa es de 5

toneladas pero se tomo una sobre carga que sube a un valor de 6,5 toneladas,

esta última es la carga dominante para el diseño de la viga de 6 metros de

longitud.

P 6,5Ton 14,33Kip

L 6m 19,685ft 236,22in


- 55 -

Fig. 36 Estado de carga de la viga carrilera.

Fig. 37 Diagrama de momento flector (Kip-ft).

Fig. 38 Diagrama de esfuerzo cortante (kip).

Como primera aproximación se asume que: b yF 0,66S 0,66(50Ksi) 33Ksi

Con este valor se procede a calcular una sección para tener una referencia de la

misma, así entonces se tiene:


- 56 -

2

3

Kip

b in

M 859,34Kip inS 26,04in .

F 33

De las tablas de la AISC se tiene un módulo se sección próxima con el perfil:

3

1

c

u

R

W8x31

S 27,5in .

L 7,2 ft

L 14,5ft L

M 76kip ft

L Lu

Como se puede observar esta aproximación nos indica que estado de análisis

para la viga corresponde al tercer caso donde independientemente de la sección

uL L y b yF 0,6S .

Ahora se quiere determinar qué valor de esfuerzo admisible bF determina la

esbeltez F del elemento.

3

bi b

y

3

bi

y

2

1 1b

2 2

1

2

102x10 CL ;C : Factor de gradiente de momento.

S

510x10 CL

S

M MC 1,75 1,05 0,3

M M

M Menor momentoen los extremos.

M Mayor momentoen los extremos.


- 57 -

Según nuestro diagrama de momento flector 1 2M y M son cero y por lo tanto

bC 1,75

i F sL L

F

T

L 236,22in108,36

r 2,18in

3

i

3

i

2

b 3

102x10 .(1,75)L 59,74

50

510x10 .(1,75)L 133,60

50

50 108,42F .50 22,36Ksi

3 1530 x10 1,75

.

Segunda Aproximación:

3

2

859,34 Kip inS 38,43 in

22,36 Ksi

De las tablas de la AISC se escoge un perfil aproximado al módulo de la sección,

con lo que se tiene el perfil:

3

3 2

R

c

u

W12x30

S 38,6 in . S

M 106 Kip ft

L 5,8 ft

L 7,8 ft L

L Lu

Como la longitud de la viga es aún mayor a la longitud última, se procede

nuevamente a calcular una esbeltez.


- 58 -

F

T

F s

L 236,22in136,54

r 1,73in

L

Esta esbeltez nos indica otro método de cálculo para bF

3

bb 2

T

3

4

170x10 C 170x1000x1,75F 15,95 Ksi.

L (136,54)

r

859,34Kip inS 53,87in .

15,95Ksi

Tercera Aproximación.

Ahora se escoge un perfil con módulo de sección mayor a la última calculada y

que además tenga una longitud última mayor a la de la viga.

Así tenemos entonces:

u

3

5 4

R

'

y

W10x54

L 20,3 ft. L

S 60 in . S

M 165kip ft

F 63,5Ksi.

Con lo cual se llega a la selección este perfil como el más adecuado para la viga

carrilera.

Factor de seguridad; 63,5

FS 3,9815,95


- 59 -

3.7 Diseño final del pórtico.-

Fig. 39.- Diseño del pórtico

Se puede observar:

Las placas bases

La columna inferior principal W18x71

La columna superior secundaria W18x40

La viga inclinada de perfil W18x40

Se muestra un detalle más ampliado:

Fig. 40 Ampliación y detalles


- 60 -

Fig. 41 Diseño del Galpón

Fig. 42 Ampliación donde se puede observar la viga carrilera en rosado y los

canales C en violeta donde se pondrá el Novatecho


- 61 -

BIBLIOGRAFÍA

Diseño de Estructuras de Acero, Bresler, LIN y SCALZI, Editorial

LIMUSA, 1970

Diseño de Estructuras Metálicas, McCROMAC, JACK, 1971

Manual de la AISC (American Institute of Steel Construction, Inc);

Chicago, Illinois, 1980


- 62 -

ANEXO 1. Determinación de los parámetros funcionales.

Determinación de los parámetros funcionales.

ASPECTOS DE ANÁLISIS Valor (m)

Características generales

del edificio

Ancho : 20

Largo: 36

Altura máxima: 8,87

# de pórticos 7

Localización: Conocoto

Distancia entre pórticos

P1-P2 6

P2-P3 6

P3-P4 6

P4-P5 6

P5-P6 6

P6-P7 6

Número de pórticos

diferente 2 (Extremos)

Características del pórtico

Descripción

Luz: 20

Altura: 8,87

Gradiente: 15°

Tipo de perfil: W

Material: Acero estructural

Conexiones

Columna-Trabe: Soldadura

Trabe-Trabe: Soldadura

Pórtico-vigas grúa: Soldadura

Cimentaciones

Base de la columna: Placa y pernos de


- 63 -

anclaje

Vigas laterales Material: Acero estructural

Tipo de perfil: W

Puente grúa

Capacidad: 5T

Peso: 3081.6 kg

Luz: 19,75

Número de rieles: 2

Tipo de control de

mando No determinado

Tipo de perfil: W

Trole y malacate Peso: Considerado en el PG.

Arriostramiento Laterales: Por determinar

Cubierta Paneles de acero (2,17 kg/m2)

diseno estructural de un puente grua

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