DIPLOMADO EN DISEO ESTRUCTURAL

NUEVAS TENDENCIAS EN EDIFICACIONES URBANAS E INDUSTRIALES

DISEO SSMICO DE UNA NAVE INDUSTRIAL CON PUENTE GRUA

TRABAJO APLICATIVO FINAL DEL DIPLOMADO

EQUIPO 5: LUIS NERIO, HUAMAN MATUTE CARLOS, MOGROVEJO ZAMBRANO

MARZO 2011-03-17 LIMA-PERU

1

PRLOGO

Con este trabajo aplicativo final se pretende presentar una informacin prctica y resumida para el diseo ssmico de una nave industrial con un puente gra, desde uso de tablas, frmulas, de un software de diseo, hasta su aplicacin. La informacin contenida en este trabajo, es resultado del empleo de la norma peruana E.030 para el diseo ssmico de estructuras metlicas, siendo esta no especfica para el diseo de naves industriales con puente gra, por lo cual se tomaron como apoyo algunas normas extranjeras como la norma europea (euro cdigo 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 diseo de estructuras metlicas industriales.

El nombre del tema y ttulo 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 gra para la carga, descarga y traslado prctico de diferentes cosas o productos.

2

La estructura general del presente trabajo est dividida en 3 captulos:

El captulo 1 es la introduccin, donde se detalla los antecedentes, objetivo, alcances y conceptos generales que sern usados para el Diseo Ssmico de una Nave Industrial con un Puente Gra.

El capitulo 2 trata de las consideraciones generales que se deben tomar en cuenta para el diseo; se describe el clculo estructural ssmico de una nave industrial con un puente gra mediante un anlisis dinmico por combinacin modal espectral para cada uno de las direcciones horizontales analizadas, tambin el clculo y verificacin de los elementos estructurales importantes. En este captulo se trata de mostrar que el tema principal de este trabajo aplicativo final es el Diseo Ssmico de una Nave Industrial con un Puente Gra; donde el problema ser resuelto por el mtodo de anlisis dinmico mediante el empleo de una herramienta de clculo estructural (sap2000 v14).

El capitulo 3 trata en forma particular del diseo de la viga principal tipo cajn del puente gra, donde se realizarn los clculos por resistencia mecnica y por estabilidad. De esta manera introductoria se quiere dar a conocer este trabajo aplicativo, donde la viga principal del puente gra 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 estaramos cumpliendo en forma integral el diseo y la construccin estructural de la edificacin sin la contratacin de terceros.

3

Con respecto al sistema de unidades, en este trabajo aplicativo final, primar el Sistema Internacional de Unidades; pero tambin en algunos casos sern representados por el sistema ingles dado que la informacin referencial es americana (USA) y estando establecido tcitamente que en el mercado se trabaja con ambos sistemas.

I

NDICE Pg. CAPITULO 1:...04 INTRODUCCIN..........................04 1.1 Antecedentes.04 1.2 Objetivos...05 1.3 Alcances06 1.4 Definicin de Nave Industrial con Puente gra...06

CAPITULO 2: DISEO DE UNA NAVE INDUSTRIAL CON PUENTE GRA13 2.1 2.2 2.3 Consideraciones para el diseo....13 Elementos de entrada para el diseo....14 Elementos de salida del diseo.18

CAPITULO 3: CALCULO ESTRUCTURAL DE LA VIGA PRINCIPAL TIPO CAJN..26 3.1.- Calculo y verificacin de la estabilidad.....34 3.2.- Calculo y verificacin de la resistencia mecnica..35

CONSIDERACIONES Y RECOMENDACIONES..36

CONCLUSIONES....39

II

BIBLIOGRAFA..42

ANEXOS

CAPITULO 1

INTRODUCCION

1.1.- Antecedentes Las naves industriales con puente gra son edificaciones muy utilizadas en los diferentes sectores de la industria peruana y extranjera como en la minera, en la industria metal mecnica, en la industria siderrgica y en las diferentes industrias alimenticias. Mediante un puente gra 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 gra son usadas para la proteccin de sus grandes instalaciones de las diferentes variaciones de climas y tambin son usados para los trabajos de montaje y desmontaje de sus equipos para realizar labores de mantenimiento. En la industria metal mecnica donde se producen grandes toneladas mtricas (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 hmedo del soldador generndose as tiempos muertos y retrasos en la produccin. Cuando el acero est hmedo dificulta la labor del armador o calderero para realizar trazos sobre el acero, de esta manera prolongndose 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 prolongndose el trabajo de corte. Para aumentar la capacidad de produccin; reducir los tiempos muertos por las lluvias; por la salud y proteccin del trabajador; para la proteccin de los equipos e instalaciones elctricas y mecnicas se debera realizar el Diseo Ssmico de una Nave Industrial con un Puente Gra para la industria metal mecnica y posterior a esto su construccin. En este trabajo se realizar el Diseo Ssmico de una Nave Industrial con un Puente Gra que ser usado en la industria metal mecnica, debido al aumento de la demanda en las construcciones de estructuras metlicas.

1.2.- Objetivo El objetivo general es realizar el Diseo Ssmico de una Nave Industrial con un Puente Gra considerando desplazamientos prudentes para proteger al trabajador y para proteger los equipos e instalaciones elctricos y mecnicos; el cual ser usado para la fabricacin de estructuras metlicas. El diseo estar

6

basado segn la norma E.030 considerando un coeficiente de uso e importancia U=1,3 y ser instalado en un parque industrial de Lima, utilizando como herramienta de clculo el sap2000 v14.2 y conocimientos obtenidos durante el diplomado de diseo estructural.

1.3.- Alcance Este trabajo aplicativo final comprende el diseo ssmico de los elementos estructurales de la nave industrial, el clculo estructural de la viga principal tipo cajn del puente gra. 1.4.- Definicin de nave industrial con puente gra Nave industrial es aquel local o cobertizo destinado a almacn o en el que est instalada una industria. Pero ningn empresario comprara hoy esta aceptacin para guardar su negocio, tampoco valdra la de hangar, el hermano mayor de las naves, descrito como cobertizo para aviones. Tanto las empresas que desarrollan su actividad en naves fbricas,como las que albergan en ellas stocks o sus materias primas para trabajar necesitan espacios acondicionados con unas caractersticas 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 obstculos ni restricciones, trabajando as con mucha versatilidad.

7

Una nave industrial es fcil y rpida de construir ya que la mayora de los elementos son prefabricados, se construyen en planta y solo en obra se colocan y se ensamblan, para esto se usan las gras, las cuales son muy fciles de mover y rpidamente ponen los prefabricados, por consiguiente se pueden construir estas naves en corto tiempo. Las naves industriales tambin se caracterizan por su economa, debido al ahorro que se tiene al salvar grandes claros, tambin porque los elementos que forman las armaduras son ligeros, as como el techo y cerramientos, todo esto ayuda a la economa 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 fbrica, como granja o como almacn para resolver problemas operacionales de una industria. El puente gra es un tipo de aparato de elevacin 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 edificacin. El movimiento longitudinal se lleva a cabo mediante la traslacin 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 metlicas sobre carriles tambin metlicos.

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 travs del mecanismo de elevacin: polipasto.

1.4.1.- Componentes de la nave industrial con un puente gra Se compone de las siguientes partes (Figura 1.1): a). Columna con mnsula b). Viga carrilera c). Prtico d). Viga principal e). Carros testeros f). Polipasto o mecanismo de elevacin y trolley (carro) g). Instalaciones elctricas del mecanismo de elevacin y de los carros testeros.

9

Figura 1.1 Nave industrial con Puente gra y componentes 1.4.2.- Clasificacin de puentes gra: Segn norma europea los puentes gra se clasifican en cuatro grupos, segn el tiempo de funcionamiento, la carga y los choques a que estn sometidos. Antes de disear un puente gra, se tendr que conocer el grupo a que pertenece, para usar en el clculo el tipo de coeficiente adecuado. Mediante la tabla 1.1 se puede identificar el tipo de puente gra y conocer a qu grupo pertenece y obtener el coeficiente de compensacin .

10

Tabla 1.1 Clasificacin de Puentes graN Tipo de puente gra 1 2 Puente gra con movimiento de traslacin a mano. Puentes gra con movimientos de traslacin elctrico para patios de almacenamiento. 3 4 5 6 Puentes gra de poca carga para talleres y almacenes. Puentes gra con carga grande para talleres y almacenes Puentes gra para locomotoras. Puentes gra para astilleros. Puentes gra especiales para siderrgicas 7 8 9 10 Puentes gra para talleres de fundicin. Puentes gra para talleres de laminacin. Puentes gra para hornos de acero. Puentes gra para hornos de fosa. II III II IV III IV III IV II III II II II III Grupo I I II

Segn la Asociacin Americana de Fabricantes de gras (CMAA Crane Manufacturers Asociation of America) se ha clasificado los puentes gra en seis clases, desde el uso espordico Clase A, a la de uso continuo y severo Clase F, la mayora de los puentes gras de uso industrial son clase C o clase D. Es una prctica generalizada en la industria de las gras, cotizar equipos clase C a menos que el cliente indique lo contrario.

11

Tabla 1.2 Clasificacin de gras CMAA

Regulaciones OSHAClasificacin

Ciclo de de Gras servicio CMAA

para intervenciones Descripcin del servicioInspecciones Mantencin

MnimasServicio no Frecuente o Stand by A Anual

PreventivaManejo de cargas a baja velocidad con intervalos Cada 6 meses largos entre levantes. No ms de 2 levantes al mes a plena capacidad.Uso peridico liviano y a baja velocidad desde 2 a 5

Servicio Liviano

B

Anual

Cada 4 meses levantes por hora sin carga y ocasionalmente a pelan carga.

Servicio C Moderado Anual Cada 2 meses

Levante desde 5 a 10 por hora con carga de 50% de la nominal. Levante desde 10 a 20 por hora con carga

Servicio Pesado

D

2 veces al ao

Mensual

aproximada al 50% regularmente pero no ms del 65% de la nominal. Servicio constante entre 20 a 40 levantes por hora a

Servicio Severo

E

3 veces al ao 2 veces al mes altas velocidades.

Servicio Continuo

F Severo

3 veces al ao

Semanal

Operacin continua de levantes.

Los puentes gras de clase C son diseados para fabricacin de estructuras metlicas livianas, talleres de maquinaria, cargue y descargue de moldes, troqueles o herramientas. Los Puente Gra clase D son diseados para fundiciones, fabricacin de estructuras metlicas pesadas, centros de servicio o ferreteras. Si se disea una gra clase D para una operacin Clase C estar

12

extendiendo su vida operacional, lo que resultar en un mantenimiento mnimo, aparentemente no tendr tiempos de parada y mejorar significativamente los mrgenes de seguridad. Los puentes gras de Clase D comparadas con las de Clase C, estn diseadas para: hacer el doble de levantamiento durante su vida til y levantar la capacidad nominal con un 30 % ms de frecuencia.

Vista de una nave industrial del sector metal mecnico

CAPITULO 2

DISEO DE UNA NAVE INDUSTRIAL CON UN PUENTE GRA

2.1.- CONSIDERACIONES PARA EL DISEO Es recomendable que como primera etapa del proceso se determinen los criterios de diseo para la estructura, recogiendo las necesidades de cada especialidad. Es decir, donde se ubicar, las condiciones climticas, condiciones de uso y aspecto, cargas propias de instalaciones, y

otras necesarias a considerar en el diseo de la estructura:

Ambientales: locacin, temperatura, humedad, vientos, lluvia, nieve, suelos, sismologa. Operacionales: dimensiones, pendientes, particulares, planimetra de losas, etc. Arquitectura: cerramientos, pisos, etc. Acsticos y trmicos: aislamientos para cumplir con ECA y temperaturas de confort. Instalaciones alturas de almacenaje, cargas

14

Sanitarias: agua, desage, sistemas contra incendios, etc. Elctricas: luminarias, bandejas, SSEE, etc. Mecnicas: puente gra, equipos HVAC, montacargas, etc. Otros: alarma, detectores, megafona, etc. Tambin definir el tipo de nave y tipo de puente gra que necesita el cliente y que cumpla las necesidades de servicio. Tener bien claro las dimensiones exactas de la nave donde ser instalado el puente gra para definir la longitud de la viga principal, Considerar los elementos principales de seguridad en el diseo de puentes gra; para las operaciones de mantenimiento barandillas, escaleras de acceso y pasarelas adecuadas.

2.2.-ELEMENTOS DE ENTRADA PARA EL DISEO Esta nave ser instalada en un parque industrial de Lima. Dimensiones de la nave con puente gra: luz: 20,0 m longitud: 66,0 m altura de techo ms bajo: 11,5 m inclinacin de techo: 11,3 separacin entre columnas: 6,0 m capacidad de puente gra: 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 traccin: Fu = 58 Ksi = 40,76 Kg/mm2; Modulo de elasticidad: E = 29000 Ksi = 21000 Kg/mm2; Poissons ratio: 0,3.

15

Normas a emplearse para el diseo: E.020 Cargas E.030 Diseo sismo resistente E.090 Estructuras metlicas Como apoyo, la norma de Diseo Ssmico de Estructuras e Instalaciones Industriales NCh2369of.2003. Conjuntamente con el Euro Cdigo EC3. Manual AISC

Cargas a considerar: Carga viva (L): carga nominal del puente gra (10 TM), carga del carro y polipasto (1,0 TM); tambin 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 diseo no se consider la fuerza de viento, no existiendo en la ciudad de lima vientos considerables, siendo preponderante el anlisis ssmico. Carga ssmica (Q): El diseo ssmico se har mediante un anlisis dinmico por combinacin modal espectral, de acuerdo a las condiciones del sitio, donde se considerar una masa de 50% de la carga viva. Cargas de impacto ocasionados por el puente gra: adicionar 10% a la carga nominal.

16

Fuerza horizontal en puente gra: en direccin al eje y considerar 20% de la carga nominal y del peso del polipasto ( 2,2 TM). Fuerza longitudinal en puente gra: mnimo 10% de la carga nominal y el peso del polipasto (1,1 TM).

Combinacin de cargas segn el mtodo LRFD: C1: 1,4D C2: 1,2D + 1,6L C3:1,2D + (0,5L 0,8W) C4:1,2D + 1,3W C5: 1,2D +/- 1E + 0,5L C6: 0,9D +/- (1,3W 1,0E) Parmetros de sitio: Lima est situado en la zona 3 (Z=0,4). Tipo de suelo S2 (S=1,2; Tp=0,6) Factor de amplificacin ssmica: C=2,5(Tp/T); C