REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA. LA UNIVERSIDAD DEL ZULIA. FACULTAD DE INGENIERÍA. ESCUELA DE MECÁNICA. DEPARTAMENTO DE DISEÑO Y CONSTRUCCIONES MECÁNICAS.
“REDISEÑO DE UN SISTEMA GRÚA PUENTE PARA P ARA UNA EMPRESA METALMECÁNICA” METALMECÁNICA”. Trabajo especial de grado presentado ante la ilustre Universidad del Zulia, Para optar por el título de: INGENIERO MECÁNICO
Realizado por: Br. Araujo Sulbarán, Ender José. C.I.: 19.506.758 Br. Núñez Díaz, Fabián José C.I: 19.750.625
Tutor Académico
Tutor industrial
Ing. Lupe Barroso
Ing. Edgar Núñez
C.I.: 16.355.647
C.I: 7.492.769
Maracaibo, Enero de 2014.
“REDISEÑO DE UN SISTEMA GRÚA PUENTE PARA P ARA UNA EMPRESA METALMECÁNICA” METALMECÁNICA”. Trabajo Especial de Grado presentado ante la ilustre Universidad del Zulia, para optar al título de Ingeniero Mecánico
___________________________ Araujo Sulbarán, Ender José
___________________________ Núñez Díaz, Fabián José
Tesista
Tesista
C.I 19.506.758
C.I. 19.750.625
Móvil: 0414-6917821
Móvil: 0424- 6990593
Email:
[email protected]
Email:
[email protected]
_______________________________
Lupe Barroso Tutor académico C.I. 16.355.647 Móvil: 0414- 6190631 Email:
[email protected]
“REDISEÑO DE UN SISTEMA GRÚA PUENTE PARA P ARA UNA EMPRESA METALMECÁNICA” METALMECÁNICA”. Trabajo Especial de Grado presentado ante la ilustre Universidad del Zulia, para optar al título de Ingeniero Mecánico
___________________________ Araujo Sulbarán, Ender José
___________________________ Núñez Díaz, Fabián José
Tesista
Tesista
C.I 19.506.758
C.I. 19.750.625
Móvil: 0414-6917821
Móvil: 0424- 6990593
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_______________________________
Lupe Barroso Tutor académico C.I. 16.355.647 Móvil: 0414- 6190631 Email:
[email protected]
APROBACIÓN
Este jurado aprueba el Trabajo Especial de Grado: “REDISEÑO DE UN SISTEMA
GRÚA PUENTE PARA UNA EMPRESA METALMECÁNICA METALMECÁNICA””, presentado al mismo por los bachilleres Araujo Sulbaran, Ender José C.I 19.506.758 y Núñez Díaz, Fabián José C.I 19.750.625, designado por el Consejo de Escuela de Inge niería Mecánica de la Facultad de ingeniería de la Universidad del Zulia, en cumplimiento con los requisitos señalados en la sección II del Capítulo III del Reglamento de la Facultad, para optar al título de Ingeniero Mecánico.
JURADO EXAMINADOR
_____________________
_____________________
Ing. Lupe Barroso
Ing. Edgar Núñez
Tutor Académico
Tutor Industrial
_____________________
_____________________
Prof. José Luis Romero
Prof. Edixon González
Jurado
Jurado
DEDICATORIA
Dedico este trabajo especial de grado primeramente a Dios por bendecirme siempre, acompañarme y ayudarme en el largo camino de formación como ingeniero mecánico. A mi madre por ser ese ángel que cuida cada paso que doy y que siempre me acompaña en cada etapa de mi vida. A ti te dedico este triunfo! A mi padre por ser apoyo fundamental e incondicional en todo momento, por su sacrificio, por su ayuda en cualquier instancia y por brindarme el apoyo en los momentos más difíciles de mi
carrera como profesional y en mi vida.
A mis hermanas, por su apoyo, por sus enseñanzas y por creer en su hermanito. En especial dedico este proyecto a mi hermana Ing. en petróleo Mariang elica Araujo. A mis amigos que durante toda la carrera me acompañaron y me brindaron todo el apoyo para seguir adelante.
Los quiero…
Ender José Araujo Sulbaran
.
DEDICATORIA
Dedico esta tesis a Dios que es pilar fundamental en mi vida que siempre me ha bendecido, y me ha dado esa fuerza y sabiduría para poder culminar con éxitos mi carrera. A mi madre Gisela, por su apoyo, comprensión y gran amor que me han permitido alcanzar una de mis metas, por guiar mi camino y estar junto a mí en los momentos más difíciles. A mi padre Edgar porque desde pequeño ha sido para mí un gran hombre ejemplar al que siempre he admirado. Gracias por guiar mi vida con energía y sabiduría, esto ha hecho que sea lo que soy hoy. A mis hermanos Edgin, Edgar Andrés y Diomar por su apoyo y atención durante mi proceso de formación y mi carrera. A todos ustedes con la mayor de mi gratitud por los esfuerzos realizados para que yo lograra terminar mi carrera profesional siendo para mí la mejor herencia.
Con amor, admiración y respeto...
Fabián José Núñez Díaz
AGRADECIMIENTO
A Dios por permitirme alcanzar con éxito la meta propuesta de ser Ingeniero Mecánico, y por guiar mis pasos en el buen camino a lo largo de mi vida y mis estudios. A mis padres por traerme al mundo y contribuir en mi formación personal y académica, brindándome siempre el mayor apoyo. A mis hermanas que me apoyaron durante toda la tesis, siempre pendiente de la culminación de ésta. A la profesora Lupe Barroso por ser la tutora y tener paciencia para corregir nuestro trabajo y atendernos en cualquier momento. A la Empresa Taller Comercio, por abrirnos sus puertas para la realización de este trabajo de investigación. A mi compañero Fabián Núñez por haberme brindado apoyo durante todos los momentos difíciles durante la realización de este proyecto.
Mil gracias…
Ender José Araujo Sulbaran
AGRADECIMIENTO
A Dios primeramente quien me ha permitido alcanzar con éxito esta meta propuesta de ser Ingeniero Mecánico, y me ha guiado siempre a lo largo de mi vida y mis estudios. Expresar mi más sincero agradecimiento a la empresa Taller Comercio C.A, en especial al Presidente Ingeniero Alberto Díaz, por brindarme la oportunidad y confianza de elaborar esta tesis en tan digna y reconocida empresa, con conocimientos y habilidades obtenidos a lo largo de mi proceso de aprendizaje para progreso de mi carrera como profesional, así como para el avance tecnológico en dicha empresa. A los Ing. Richard Perdomo, Ing. Gennaro Basile por sus diversas ayudas prestada en las sugerencias y orientación para el desarrollo de esta investigación. A mi primo Ing. Leonardo Pire por apoyarnos en la recopilación de información referente a esta investigación. A la profesora Lupe Barroso por ser la tutora académica y tener paciencia para corregir nuestro trabajo, aportando ideas e indicaciones de gran importancia en el estudio de esta Tesis. A mi padre y tutor industrial el Ing. Edgar Núñez por brindarnos todos sus conocimientos y experiencias que fueron de gran ayuda en la culminación de este proyecto. Al Sr Eladio Arguello por prestarnos su valioso tiempo en la enseñanza y aporte para la elaboración de diseños computacional. A mi compañero Ender Araujo por haberme ofrecido apoyo y enseñanzas durante la realización de este proyecto y a lo largo de toda la carrera. A todas aquellas personas, amigos, compañeros y familiares que en forma directa e indirecta colaboraron en la realización de este Trabajo Especial de Grado Muchas Gracias!! Fabián José Núñez Díaz
ÍNDICE DE CONTENIDO
RESUMEN………………………………………………………………………………
12
ABSTRACT.........................................................................................................
13
INDICE DE FIGURAS…………………………………………………………………
14
INDICE DE TABLAS…………………………………………………………………..
17
INTRODUCCI N……………………………………………………………………….
18
CAP TULO I: EL PROBLEMA……………………………………………………….
20
1.1 Planteamiento y Formulación del Problema ……………………………...……. 1.2 Objetivos de la Investigación ……………………………………………….……. 1.2.1. Objetivo General ……………………………………………………….. 1.2.2. Objetivos Específicos …………………………………………... .......... 1.3 Justificación de la Investigación …………………………………………………. 1.4 Delimitación de la Investigación …………………………………………………. 1.5 Alcance de la Investigación …………………………………………………….…
21 23 23 23 24 25 25
CAP TULO II: MARCO TE RICO……………………………………………….…..
27
2.1. Antecedentes…………………………………………………………………... 2.2. Definición de Términos …………………………………………………….….. 2.2.1 Polipasto…………………………………………………………………… ... 2.2.2 Luz………………………………………………………………………… .… 2.2.3 Factor de seguridad……………………………………………….............. 2.2.4 Acometida…………………………………………………………………… 2.2.5 Esfuerzo……………………………………………………………………... 2.2.6 Motor Eléctrico ………………………………………………………………. 2.3 Reseña histórica de la grúa puente ……………………………………... ........... 2.4 Grúa Puente……………………………………………………………................. 2.4.1 Clasificación de las grúas puente según las normas que los rigen………………………………………………………………………………… 2.4.2 Clasificación general de las grúas puente según sus características y prestaciones……………………………………………………………………….. Grúa puente monorriel……………………………………………………. Grúa puente birriel………………………………………………………… Grúa puente pórtico………………………………………………………. . Grúa pluma………………………………………………………………… Grúa semiportico………………………………………………………….. 2.4.3 Partes constitutivas de una Grúa Puente ………………………………... 2.4.3.1 Mecanismo de elevación y traslación …………………………….
28 31 31 31 31 31 31 31 32 33 34 35 36 38 40 41 42 42 44
2.4.3.1.1 El polipasto monorriel ………………………………………. 2.4.3.1.2 El carro polipasto ………………………………...…………. 2.4.3.1.3 El carro abierto …………………………………...…………. 2.4.3.2 La viga principal o viga puente ……………………………..…….. 2.4.3.3 Viga testera ……………………………………………………...…. 2.4.3.4 Camino de rodadura o Vía de Rodadura ………………..………. 2.4.3.5 Tipos de carriles……………………………………………...…….. 2.4.3.5.1 Carril tipo llantón ……………………………………….……. 2.4.3.5.2 Carril tipo Burbach …………………………………………... 2.4.3.5.3 Carril tipo Vignole …………………………………………… 2.4.3.5.4 Carril tipo Plano …………………………………………….. 2.4.3.6 Equipo Eléctrico……………………………………………………. 2.4.3.7 Sistemas de mando ……………………………………….............. 2.5 Vigas sometidas a flexión …………………………………………………………
45 45 45 46 46 47 48 48 48 49 49 50 51 51
2.6 Dimensionamiento de Grúas …………………………………………….............
54
2.6.1 Diseño para las cargas repetidas …………………………………………. 2.7 Clasificación del servicio de la grúa ……………………………………..............
54 56
2.8 Número de ciclos a carga plena basados en la clase de grúa ………………..
58
2.9 Cargas de la Grúa Puente ………………………………………………..............
61
2.9.1 Carga Vertical Cvs………………………………………………………… . 2.9.2 Carga de operación Cn ………………………………………………….…. 2.9.3 Cargas generadas en el funcionamiento de la grúa puente ………..…. 2.9.4 Impacto Vertical Ci ………………………………………………………….. 2.9.5 Empuje lateral Css ………………………………………………………….. 2.9.6 Empuje axial CIS ……………………………………………………………. 2.9.7 Carga de impacto en los fines de carrera Cbs ………………………….. 2.9.8 Factores de impacto, empuje lateral y empuje axial …………………... 2.10 Factores influyentes del esfuerzo máximo permisible ………………………..
61 61 61 62 62 63 64 64 65
2.10.1 Geometría de la sección …………………………………………………..
66
2.10.2 Apoyo Lateral……………………………………………………………….
68
2.11 Diseño de vigas simples …………………………………………………………
69
2.12 Efectos del cortante ………………………………………………………………
71
2.13 Deflexión en estructuras …………………………………………………………
72
2.13.1 Métodos para calcular la deflexión en vigas …………………………….
72
2.14 Columnas………………………………………………………………………….
75
2.15 Soldadura…………………………………………………………………………
75
2.15.1 Proceso de Soldadura GMAW ………………………………………….. . 2.15.2 Influencia del Gas y el Arco de la Soldadura …………………………... 2.15.3 Procedimientos de Soldadura …………………………………………… 2.15.4 Código ANSI/AWS D1.1 de Soldadura Estructural-Acero ……………. 2.15.5 Especificaciones AWS para materiales consumibles de soldadura ….
77 77 78 79 79
2.15.6 Posiciones de Soldadura …………………………………………………. 2.15.7 Tipos de Juntas……………………………………………………………. 2.15.8 Configuración de Biseles …………………………………………………. 2.15.9 Partes de las Juntas ………………………………………………………. 2.15.10 Soldadura de filete………………………………………………………. 2.15.11 Calificación de Procedimiento y Personal de Soldadura ……………. 2.16 Ensayos No Destructivos ………………………………………………………..
80 82 83 84 86 87 88
2.16.1 Métodos y técnicas ……………………………………………………….. 2.16.1 .1 Inspección por líquidos penetrantes …………………………... 2.17 Especificaciones de limpieza y preparación de superficies ……………..…. 2.17.1 Normas de Limpieza SSPC ………………………………………………
89 89 90 91
CAP TULO III: MARCO METODOL GICO…………………………………………
93
3.1 Tipo de Investigación………………………………………………………..……. 3.2 Diseño de la investigación ………………………………………………………... 3.3 Nivel de la investigación ………………………………………………………….. 3.4 Metodología de la investigación …………………………………………….……
94 94 95 95
CAP TULO IV: REDISEÑO DEL SISTEMA GR A PUENTE…………………………………………………………………………………
98
4.1 Parámetros de diseño…………………………………………………………….. 4.1.1 Cargas de la grúa puente ………………………………………………….. 4.1.2 Dimensiones de los componentes de la grúa puente ……………..…… 4.1.3 Estados de carga crítica para la viga carrilera ……………………….…. 4.2 Diseño de la viga carrilera ………………………………………………….…….. 4.2.1 Material a utilizar ……………………………………………………………. 4.2.2 Procedimiento de diseño …………………………………………….…….. 4.2.3 Análisis estático de la viga carrilera ………………………………….…… 4.3 Apoyo Lateral………………………………………………………………………. 4.4 Calculo del esfuerzo permisible …………………………………………….……. 4.5 Calculo del esfuerzo real …………………………………………………………. 4.6 Determinar el índice de trabajo ……………………………………...…………… 4.7 Análisis a corte para los perfiles seleccionados ……………………………….. 4.8 Esfuerzo cortante en el alma …………………………………………………….. 4.9 Esfuerzo normal máximo…………………………………………………….…… 4.9.1 Selección del riel para la grúa puente ……………………………………. 4.10 Factor de seguridad……………………………………………………………… 4.11 Calculo de deflexión de la viga carrilera ………………………………….…… 4.12 Costos de la viga carrilera ………………………………………………………. 4.13 Selección de la viga carrilera …………………………………………………… 4.14 Calculo y diseño de los pernos para sujeción de la viga carrilera …………. 4.15 Calculo de soldadura ……………………………………………………………. 4.15.1 Vigas carrileras (empalme) ………………………………………………. 4.15.2 Placa vertical conexión grúa-testero ……………………………………. 4.16 Diseño de nuevos soportes ……………………………………………………... 4.16.1 Soldadura de los nuevos soportes a la columna……………………….
99 99 103 104 109 110 110 119 124 124 127 127 127 128 131 131 135 136 139 139 140 148 148 148 153 157
4.17 Rediseño de las vigas principales de la grúa puente ……………………..….
159
CAP TULO V: RESULTADO Y AN LISIS DE RESULTADOS…………………..
162
5.1 Resultados…………………………………………………………………………. 5.1.1 Soportes existentes ………………………………………………………… 5.1.2 Nuevos soportes diseñados ……………………………………………….. 5.1.3 Simulación de columnas existentes en el galpón ……………………….. 5.1.4 Vigas Carrileras………………………………………………………….….. 5.1.4.1 Caso I. Carro testero en el centro de la viga carrilera ….……….... 5.1.4.2 Caso II. Carro testero en el extremo de la viga carrilera ……...….. 5.2 Análisis de resultados ………………………………………………..……………
163 163 165 168 169 169 171 172
CONCLUSIONES………………………………………………………………………
174
RECOMENDACIONES………………………………………………………………...
176
BIBLIOGRAF A…………………………………………………………………………
178
ANEXOS…………………………………………………………………………………
180
12
ARAUJO S., ENDER J., NÚÑEZ D., FABIÁN J. “REDISEÑO DE UN SISTEMA GRÚA PUENTE PARA UNA EMPRESA METALMECÁNICA”. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica. Departamento Diseño y Construcción Mecánica.
RESUMEN El presente trabajo de investigación tiene como propósito rediseñar y construir un sistema para una grúa puente que permita facilitar la extracción, movilización y reparación de los intercambiadores de calor, de recipientes a presión y componentes anexos en la empresa Taller Comercio C.A, así como el de disminuir los riesgos físicos en el área y minimizar los retrasos costosos en la producción de estos aparatos en el galpón perteneciente a la empresa. Con el fin de calcular y diseñar los elementos que constituyen el sistema de grúa puente se procede inicialmente a hacer una revisión teórica de los elementos críticos en el sistema, con lo cual se determinó que los soportes actuales no estaban condicionados para soportar la carga requerida. Esto llevo a un rediseño de estos soportes ajustado a las condiciones de operación del sistema. Se procedió a calcular todos los parámetros necesarios para el diseño de los elementos, en las condiciones de trabajo más desfavorables para el sistema. Principalmente se selecciono el tipo de riel a utilizar para el desplazamiento de los carros testeros sobre la viga carrilera. Esta selección se hizo en base a la carga en las ruedas, diámetro y dureza de las mismas. Seleccionando un riel tipo ASCE #60. Para el cálculo de las vigas carrileras el análisis tomo en cuenta las normas AISC, CMAA y la energía de distorsión (Von Mises) para obtener el factor de seguridad. Obteniendo como resultado un perfil tipo W24x94, el cual satisface las condiciones de operación requeridas con un factor de seguridad de 3.7, para una capacidad de izamiento de 20 Ton. Una vez seleccionada la viga se evaluaron los métodos de fijación de estas, para lo cual se tienen pernos SAE grado 8 de 7/8” de diámetro para la fijación a los soportes,
y soldadura de tipo filete con un espesor de garganta mayor a 8 mm.
Palabras Claves: Grúa Puente, Vigas Carrileras, Von Misses, Carros Testeros, CMAA
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ARAUJO S., ENDER J., NÚÑEZ D., FABIÁN J. “REDESIGN OF A BRIDGE CRANE SYSTEM FOR A METALMECHANICAL COMPANY”. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica. Departamento Diseño y Construcción Mecánica.
ABSTRACT
This research work aims to redesign a system for a crane bridge that allows to facilitate extraction, mobilization and repair of pressure vessels, heat exchangers and annexes components in the Taller Comercio, C.A, as well as reduce the physical risks in the area and minimize costly delays in the production of these items in the barn belonging to the company. In order to calculate and design elements that constitute the system of crane bridge is proceeds initially to make a theoretical revision in the system, which is determined that current brackets were not conditions to support the required load. This led to a redesign of these supports adjusted to the conditions of operation of the system. Be proceeded to calculate all the necessary parameters for the design of elements, in the most unfavorable working conditions for the system. The type of rail used for the movement of trucks ends on the beam rail was mainly selected. This selection is made based on the load wheels, diameter and hardness of the same. Selecting a track ASCE #60. For calculation of rails beams, the analysis took into account the standards aisc, cmaa and distortion energy (von misses) to obtain get the safety factor. Obtaining result a profile type w24x92, which satisfies the operation conditions with a safety factor of 3.7, for a 20-ton hoisting capacity. Once selected beam evaluated the methods of fixation, which is have bolts SAE grade 8 7/8 "diameter for fixing to the supports, and welding type fillet with a thickness greater than 8 mm of throat.
Keywords: Bridge Crane, runway beams, Von Misses, end trucks, CMAA
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INDICE DE FIGURAS Figura. 2.1. Elementos característicos de una nave industrial tipo puente grúa Figura. 2.2. Puente grúa monorraíl Figura. 2.3. Viga compuesta Figura.2.4. Vigas y celosías de tipo cajón Figura.2.5. Grúa puente birriel Figura.2.6. Viga de perfil laminado Figura.2.7. Viga formada de plancha de acero Figura.2.8. Perfil conformado por la unión de plancha metálica y ángulo Figura.2.9. Vigas de celosías Figura.2.10. Vigas de tipo cajón Figura.2.11. Puente grúa pórtico Figura.2.12. Grúa pluma Figura.2.13. Puente grúa semipórtico Figura.2.14. Partes de un puente grúa monorriel Figura.2.15. Viga testera Figura.2.16. Tipos de perfiles llantón Figura.2.17. Carril tipo burbach Figura.2.18. Carril tipo Vignole Figura.2.19. Carril tipo plano Figura.2.20. Viga sometida a flexión con sus diagramas de fuerza Cortante y momento flector Figura.2.21. Empuje lateral efectivo y área efectiva resistente en Vigas de sección abierta Figura.2.22. Pandeo del patín cuando la compresión es muy grande Figura.2.23. Dimensiones del perfil W Figura.2.24 Deflexión para una viga simplemente apoyada bajo cargas iguales Figura.2.25 Deflexión para una viga simplemente apoyada bajo carga distribuida Figura.2.26 Partes de un cordón de soldadura Figura.2.27 Posiciones de soldadura en placas con soldadura de ranura Figura.2.28 Posiciones de soldadura en placas con soldadura de filete Figura.2.29 Posiciones de soldadura en tubo con soldadura de ranura Figura.2.30 Posiciones de soldadura en tubo con soldadura de filete Figura.2.30A Posiciones de soldadura en tubo con soldadura de filete Figura.2.31 Junta a traslape Figura.2.32 Junta a tope Figura.2.33 Junta de esquina Figura.2.34 Junta de orilla Figura.2.35 Junta en “T” Figura.2.36 Partes de la junta a tope Figura.2.37 Partes de las juntas soldadas Figura.4.1 Dibujo esquemático de la grúa puente
33 36 37 37 38 39 39 39 40 40 41 41 42 43 47 48 48 49 49 52 63 66 66 74 74 76 80 81 81 81 82 82 82 83 83 83 84 85 102
15
Figura.4.2 Viga frontal de la viga principal Figura.4.3 Vista lateral del carro testero Figura.4.4 Diagrama de cuerpo libre del puente grúa Figura.4.5 Diagrama de cuerpo libre con cargas equivalentes de las ruedas Figura.4.6 Vista frontal de la grúa puente Figura.4.7 Diagrama de cuerpo libre de la grúa puente Figura.4.8 Vista frontal de la grúa puente Figura.4.9 Estado de cargas de la viga carrilera Figura.4.10 Diagrama de fuerza cortante y momento flector Figura.4.11 Estado de carga de la viga carrilera Figura.4.12 Diagrama de fuerza cortante y momento flector de la viga carrilera Figura.4.13 Deflexión en la viga carrilera Figura.4.14 Dimensiones y cargas de la viga carrilera Figura.4.15 Notación de las medidas de la sección transversal de los perfiles Figura.4.16 Estado de fuerzas de la viga carrilera Figura.4.17 Diagrama de fuerza cortante y momento flector en la viga carrilera Figura.4.18 Distribución de esfuerzos en la sección transversal Figura.4.18a Medidas del área seleccionada Figura.4.19 Montaje viga carrilera-carril Figura.4.20 Dimensiones del riel Figura 4.21 Ubicación del eje neutro en el conjunto viga carrilera-carril Figura.4.22 Deflexión en la viga carrilera Figura.4.23 Vista lateral de la unión viga carrilera-soporte Figura.4.24 Diagrama de fuerzas transversal en la viga carrilera Figura.4.25 Especificaciones SAE para pernos de acero Figura.4.26 Dimensiones de tuercas hexagonales Figura.4.27 Vista de planta de la viga carrilera con los pernos Figura 4.28 Distribución de la fuerza cortante actuante en los pernos Figura 4.29 Distribución de fuerzas en cada pernos Figura 4.30 Algunas propiedades mecánicas de los electrodos según AWS Figura 4.31 Empalme de las vigas carrileras por medio de soldadura Figura 4.32 Unión por medio de soldadura de la placa para la conexión grúaFigura 4.33 Fijación de los nuevos soportes a las columnas Figura 4.34 Estado de cargas del soporte Figura 4.35 Plano esquemático de la viga principal de la grú a puente redimensionada Figura 4.36 Plano de corte de la viga principal Figura 5.1 Carga actuante en el soporte Figura 5.2 Análisis de esfuerzo y deformación en el soporte existente
103 103 104 105 106 107 108 111 113 114 115 117 118 119 120 122 128 129 131 132 133 137 140 141 142 143 145 145 146 149 151 152 153 159 160 160 163 164
16
Figura 5.3 Factor de seguridad de los soportes actuales
165
Figura 5.4 Soportes nuevos con carga actuante Figura 5.5 Análisis de esfuerzo y deformación en el nuevo diseñado Figura 5.6 Factor seguridad de los nuevos soportes Figura 5.7 Columnas existentes en el galpón Figura 5.7A Análisis de deformación de las columnas existentes en el galpón Figura 5.8 Factor de seguridad y deformación de las columnas existentes Figura 5.9 Estado de carga en la viga carrilera Figura 5.10 Análisis de esfuerzo y deformación en la viga carrilera Figura 5.11 Factor de seguridad de la viga carrilera con el carro testero centrado Figura 5.12 Estado de carga en la viga carrilera Figura 5.13 Análisis de esfuerzo y deformación en la viga carrilera Figura 5.14 Factor de seguridad de la viga carrilera con el carro testero en osición extrema.
165 166 167 168 168 169 169 170 170 171 172 172
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INDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Clasificación de las grúas puentes según normas FEM Tabla 2.2 Características de las grúas puente según el grupo Tabla 2.3 Clasificación acorde a las normas británica BS2573 Tabla 2.4 Clasificación de servicio de grúa Tabla 2.5 Clasificación de grúas por ciclo Tabla 2.6 Clasificación de estructuras según los ciclos Tabla 2.7 Factores de impacto Tabla 2.8 Porcentajes de impacto vertical, empuje lateral y empuje axial Tabla 2.9 Deflexiones máximas permisibles Tabla 2.10 Deflexión en vigas por el método de superposición Tabla 2.11 Propiedades mecánicas de los electrodos según AWS Tabla 3.1 Sistema operacional de variables Tabla 4.1 Luz de los componentes del sistema Tabla 4.1A Componentes de la grúa puente Tabla 4.2 Dimensiones de las secciones transversales de los perfiles Tabla 4.3 Valores de las fuerzas actuantes en los diferentes perfiles Tabla 4.4 Dimensiones de los perfiles en unidades inglesas Tabla 4.5 Valores de la longitud critica y ultima de los perfiles Tabla 4.6 Valores de esfuerzos permisibles para los perfiles seleccionados Tabla 4.7 Esfuerzo real en los perfiles Tabla 4.8 Índice de trabajo para los perfiles seleccionados Tabla 4.8A Índice de trabajo por cortante para los perfiles Tabla 4.9 Valores para calcular la ubicación del eje neutro del área seleccionada Tabla 4.10 Valores de esfuerzo cortante en el alma para los perfiles Tabla 4.11 Dimensiones del riel seleccionado Tabla 4.12 Valores para calcular la ubicación del eje neutro del conjunto Tabla 4.13 Ubicación del eje neutro para cada perfil seleccionado Tabla 4.14 Valores de esfuerzo normal en el alma para cada perfil Tabla 4.15 Valores del esfuerzo normal y cortante para los perfiles Tabla 4.16 Factor de seguridad para los perfiles seleccionados Tabla 4.17 Valores de deflexión máxima permitidas por la AISC Tabla 4.18 Parámetros para calcular la deflexión de los perfiles Tabla 4.19 Valores de deflexión para los perfiles seleccionados Tabla 4.20 Costo en USD de las vigas seleccionadas Tabla 4.21 Espesor mínimo de garganta efectiva Tabla 4.22 Dimensiones de los perfiles seleccionados para el nuevo soporte Tabla 4.23 Reacciones máximas de los perfiles Tabla 4.24 Valores de momento de área de los perfiles seleccionados Tabla 4.25 Valores de esfuerzo en los perfiles Tabla 4.26 Factor de seguridad para los perfiles seleccionados Tabla 4.27 Características de diferentes tipos de pinturas
34 34 35 58 59 60 64 65 72 73 87 95 99 102 119 123 123 124 126 127 127 128 130 130 133 133 134 134 135 136 136 138 138 139 150 155 156 156 156 157 161
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INTRODUCCIÓN
El origen del diseño de grúas, es tan antiguo como la humanidad misma, siendo el hombre el primer medio de izamiento y transporte. Del uso de los hombros o la cabeza como sostén para el transporte de objetos hasta el uso del cuerpo completo para arrastrar objetos de mayor peso y tamaño, el hombre ha evolucionado para emplear elementos auxiliares que faciliten el transporte de estos. Los primeros elementos diseñados para transportar y elevar cargas fueron las palancas, rodillos y planos inclinados. Estas herramientas son implementadas por el hombre hasta que se ve en la necesidad de transportar cargas más pesadas y de mayor magnitud. En base a esta necesidad se inventaron equipos mecánicos, hidráulicos y electromecánicos que facilitaron la realización de estas tareas. En 1888 se creó el primer carro eléctrico de un puente grúa gracias a las aplicaciones de la electricidad, con esto el sistema grúa puente tuvo mayor auge a nivel industrial, ya que solo era necesario un operador para trasladar una carga pesada. En la actualidad se puede apreciar la utilidad de las grúas puente como medio de movilización en la mayor parte del sector industrial. Una grúa puente es un equipo de elevación compuesto por una viga, simple o doble, doblemente apoyada sobre dos carriles elevados que reposan sobre unas columnas que conforman la estructura de la nave o edificación. Las partes básicas de una grúa puente son: mecanismo de elevación (polipasto) y traslación, viga principal o viga puente, viga testero o porta puente, vías de rodadura y el sistema eléctrico. El movimiento longitudinal se lleva a cabo mediante la traslación de la viga principal a través de los carriles elevados. 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. Ahora bien, este trabajo de investigación tiene como propósito diseñar y construir una grúa puente que permita facilitar la extracción, movilización y reparación de los intercambiadores de calor, de recipientes a presión y componentes anexos, así como el de disminuir los riesgos físicos en el área y minimizar los retrasos costosos en la
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producción de estos aparatos en el galpón perteneciente a la empresa Taller Comercio C.A
CAPÍTULO I EL PROBLEMA
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CAPÍTULO I EL PROBLEMA 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El ingeniero mecánico es formado para intervenir en los procesos productivos, mediante la creación, diseño, mejora y manejo de recursos, para desarrollar soluciones tecnológicas a necesidades sociales, industriales o económicas. Este trabajo de investigación surge como respuesta a la necesidad de implementar un sistema de izamiento que reemplace a los actuales sistemas utilizados en la empresa Taller Comercio C.A, los cuales son montacargas y polipastos. En el año 1964 es fundada la empresa Taller Comercio C.A cuyas instalaciones estaban ubicadas en la Av. principal Jacinto Lara de la ciudad de Punto Fijo Edo Falcón, esta empresa se dedicaba a satisfacer las necesidades navales y pesqueras en el área de la metalmecánica de carácter intermitente en esta región. En 1991 con la creciente demanda de la industria petrolera nacional y regional, el Taller Comercio C.A pasa de ser una empresa de servicios marítimos, a una empresa de servicios petroleros, dedicándose a realizar actividades de fabricación de estructuras en general y proporcionar servicios de fabricación, reparación y reacondicionamiento de recipientes a presión, intercambiadores de calor, enfriadores atmosféricos, torres de proceso y metalmecánica en general. En 2006 la empresa Taller Comercio C.A es comprada por el grupo HAFRAN, ampliando sus actividades a través de la ejecución de importantes licitaciones y contratos a nivel industrial con la empresa PETRÓLEOS DE VENEZUELA S.A (PDVSA).
A raíz de la gran demanda de la empresa petrolera PDVSA son adquiridas las instalaciones de un galpón ubicado en la Zona Franca Industrial de Paraguaná, con el fin de aumentar la capacidad de producción de la empresa ya que las instalaciones anteriores no estaban acorde con la capacidad productiva requerida. El objetivo de la adquisición de este galpón industrial es llevar a cabo la construcción y mantenimiento de los intercambiadores de calor y de recipientes a presión. Anteriormente en estas
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instalaciones funcionaba una empresa de fabricación de productos asfalticos (mantos y tejas asfálticas, primer), en la que solo se requería de montacargas y polipastos menores para la movilización de equipos y materiales, es decir, no se disponía de un sistema grúa puente en esta área. Actualmente para la movilización de los componentes utilizados en la fabricación y ensamble de los equipos en Taller Comercio C.A, se utilizan montacargas y polipastos, los cuales representan un riesgo físico tanto para el personal de la planta como para el equipo que se necesita movilizar, al momento de transportar dichos componentes debido a su magnitud, peso y a la geometría que estos poseen. Estos equipos de elevación presentan una limitante, debido a la magnitud de la carga que pueden soportar, ya que en algunos casos es necesario utilizar 2 ó más montacargas al mismo tiempo para trasladar una pieza, lo que trae como consecuencia mayor inversión de tiempo en una misma actividad reflejando una baja en la producción. Debido a esta problemática es necesario disponer de un sistema grúa puente que facilite y mejore el traslado de estos componentes y equipos, disminuir los riesgos existentes en el área de trabajo y con esto lograr la optimización de la producción. Por tal motivo la empresa Taller Comercio Comercio C.A durante el año 2011, adquiere adquiere una grúa puente marca ANCHOR con capacidad máxima de 25 ton., del tipo biviga, luz: 8,9 mts, recorrido del puente: 80 mts y recorrido del gancho 8mts, para el mejoramiento en el sistema de transporte de equipos, pero las dimensiones de esta no están acorde con las del área del galpón, por tal motivo la grúa no se encuentra en funcionamiento por lo que amerita realizar el REDISEÑO DE LA GRÚA PUENTE para adaptar al espacio disponible en el galpón, incluyendo la selección y adecuación de los soportes de las columnas existentes.
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1.2 FORMULACION DEL PROBLEMA El planteamiento anterior pone de manifiesto la importancia de realizar la presente investigación, debido a que se busca la forma más práctica para rediseñar un sistema grúa puente; razón por la cual se formula el problema, a través de la siguiente interrogante: ¿Cómo rediseñar un sistema grúa puente para una empresa metalmecánica?
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION 1.3.1 OBJETIVO GENERAL Rediseñar el sistema grúa puente de 25 Toneladas de capacidad.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar los parámetros p arámetros necesarios para el diseño, selección y construcción de cada uno de los componentes mecánicos de las vigas de carga y rieles por donde se desplazara la grúa puente (actualmente inexistentes en las instalaciones del galpón).
Rediseñar las vigas de la grúa puente a fin de acondicionarlas a las dimensiones de la nave del galpón industrial.
Rediseñar los elementos elementos mecánicos de soportes y columnas estructurales requeridas para la operación y funcionamiento de la grúa puente a instalar a fin de evaluar las condiciones de las estructuras actuales.
Realizar la simulación de cargas y esfuerzos del sistema grúa puente, mediante programas de diseño, a fin de garantizar la buena operatividad del mismo.
Representar gráficamente los componentes del sistema grúa puente para su construcción e instalación.
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1.4 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Este trabajo se realizará con la finalidad de facilitar el traslado de equipos y maquinaria pesada dentro de las instalaciones de la empresa TALLER COMERCIO C.A, ya que actualmente cuenta con equipos de movilización que no están acorde a las necesidades y a las exigencias de la empresa. Debido a la creciente demanda por parte de las empresas petroleras y petroquímicas, de
equipos fabricados en el área
(intercambiadores de calor y recipientes a presión) se ve la necesidad de implementar un sistema de transporte que sea rápido, seguro y eficiente, que sustituya a los montacargas y polipastos, los cuales generan mayores riesgos y pérdida de tiempo en la producción. Por tal motivo el sistema empleado será el de una grúa puente. La instalación de este sistema de grúa puente trae consigo beneficios económicos, gracias a la optimización de la producción, disminución de riesgo en el transporte de equipos, mejora en la calidad de los servicios de movilización y se contara con una tecnología acorde al proceso productivo de la empresa. Para la investigación se trabajará de forma práctica estudiando las condiciones óptimas para el diseño y construcción de un sistema de grúa puente, así como los requerimientos concernientes a la seguridad, higiene y protección del ambiente. Se llevará a cabo un amplio estudio sobre las investigaciones previas relacionadas con el tema tratado siguiendo la línea metodológica correcta, así mismo se establecerá los diversos estudios que podrán llevarse a cabo en el entorno del sistema. Además, con la investigación se daría un gran impulso al Taller Comercio C.A, se prestaría un gran servicio a las empresas involucradas en el área petrolera y petroquímica de la zona y se optimizara el trabajo prestado.
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1.5 DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA Este proyecto de investigación se llevará a cabo en la empresa Taller Comercio C.A, la cual está ubicada dentro de la Zona Franca Industrial de Paraguaná, calle N°4 en la Av. Bolívar, Meseta de Guaranao, en la ciudad de Punto Fijo, Edo Falcón, se contará con el apoyo de la presidencia de la empresa, Ing. mecánico Alberto Díaz, de la Gerencia General, Nino Facchinetti y del departamento de Ingeniería, Ing. mecánico Luis Ceballos, así como la logística para grúas y maquinarias pesadas requeridas, los cuales serán suministradas por la empresa HAFRAN servicios múltiples C.A, contando de igual manera de la asesoría directa del tutor industrial Ing. Mecánico Edgar Núñez. Este trabajo de grado tendrá una duración de 20 semanas, comenzando desde el mes de noviembre. Entre las áreas de estudio que abarca la investigación se encuentran Mecánica de sólidos, Elementos de Máquinas, Materiales para ingeniería, proceso de fabricación y Soldadura.
1.6 ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN El alcance de este proyecto de investigación es el diseño de un sistema grúa puente, el cual abarcará eldiseño y selección las vigas de carga y el sistema de rieles por donde se desplazara el puente grúa. Se redimensionara la viga principal a las condiciones del galpón y se hará un análisis de las columnas existentes para comprobar la capacidad de carga de estas. Se utilizara una grúa puente de tipo biviga de 25 toneladas de capacidad, disponible en el almacén del Taller Comercio CA. Se utilizaran los soportes en las columnas existentes, previo a un estudio de sensibilidad de acuerdo a los esfuerzos actuantes y con los factores de seguridad establecidos de acuerdo a la norma y de ser necesario se redimensionara la capacidad de izamiento de carga de la misma.
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Para dichos fines se requerirá un estudio, aplicando conocimientos de ingeniería mecánica, en el área de diseño y construcciones mecánicas así como en el área de materiales y metalurgia; también se necesita aplicar ciertos conocimientos de ingeniería civil
para
los
cimientos
y
otras
estructuras
de
concreto.
CAPITULO II MARCO TEÓRICO
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CAPITULO II MARCO TEÓRICO
2.1 ANTECEDENTES Presentamos seguidamente una serie de trabajos especiales de grado que proporcionan a nuestra investigación confiabilidad y consistencia de alta relevancia ya que la información que poseen es detallada basada en conocimientos y experiencias que son compatibles y guardan relación con el diseño de sistemas de izamiento.
GARCÍA R. Kenny D. “MODIFICACIÓN DE UN SISTEMA DE RIELES PARA GRUAS PUENTE DE UNA PLANTA COMPRESORA”. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería, Escuela Mecánica. Maracaibo, 2007, Trabajo Especial de Grado. El propósito de esta investigación está orientada a satisfacer y a realizar una propuesta de modificación del sistema de rieles para grúas tipo puente de la planta compresora modular Tía Juana Nª4, propiedad de la estatal PDVSA, particularmente los pertenecientes a equipos de izamiento ubicados en los módulos de compresión. Esto en virtud de la problemática presentada a causa del limitado alcance o recorrido de las grúas ya señaladas, lo que implica dificultad en la operación y maniobrabilidad durante el montaje, traslado y desmontaje de los componentes o equipos críticos del tren de compresión o sus componentes, surgiendo así la alternativa de una modificación consistente en la extensión del sistema de rieles de estos equipos de izamiento, los cuales poseen una capacidad nominal de 20 ton. Como parte de este proyecto se procedió a la recolección de información de los dispositivos principales de las instalaciones involucradas, equipos de izamiento en general y en particular de las grúas puente que allí se localizan. La investigación se define como del tipo descriptivo, de campo, proyecto factible y de carácter aplicado, como instrumentos para la recolección de información se consideraron la entrevista no estructurada y la revisión documental como los más importantes. La propuesta de
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extensión de rieles resultante fue modelada y evaluada técnicamente haciendo uso de una herramienta computacional, determinándose que es factible desde el punto de vista técnico y económico para la empresa y aplicable a otras empresas de compresión.
GUERRA G, Jorge A. “DISEÑO DEL SISTEMA ESTRUCTURAL DE IZAMIENTO PARA UNA UNIDAD DE SERVICIO DE POZOS”. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería, Escuela Mecánica. Maracaibo, 2007, Trabajo Especial de Grado. Una unidad para servicios de pozos es un equipo versátil, para realizar diferentes tipos de trabajos en pozos de levantamiento artificial. El objetivo general de este trabajo especial de grado es el diseño del sistema estructural de izamiento para una de estas unidades, para una carga de 120 klbf. Es un sistema compacto y móvil que transmite la potencia a través de un arreglo de cables metálicos. Está constituido por tres partes, el mástil, q es la estructura q le da la altura al equipo, al cual se le realizaron varios estudios del comportamiento bajo cambios de parámetros geométricos y dos soportes que sirven de apoyo al mástil, uno trasero al quien se le transmite toda la carga y uno delantero donde va apoyado el mástil en la posición de descanso. Además, se realizaron estudios para la selección del chasis del equipo que transportara el sistema. Se realizaron los análisis de todo el sistema bajo los requerimientos de los estándares API y se diseñaron las piezas utilizando software para CAD y analizándolas a través de un software de análisis de elementos finitos.
MARIN R. Carlos J.; ROMERO F. Miguel A. “DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA PARA LA
MOVILIZACIÓN
DE
MOTO-BOMBAS
VERTICALES
DE
AGUA
DE
CIRCULACION”. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería, Escuela Mecánica. Maracaibo, 1997, Trabajo Especial de Grado. Este trabajo especial de grado tiene como finalidad extracción, movilización y reparación de las Moto-Bombas verticales de agua de circulación y equipos anexos, así como el disminuir los costos de alquiler de grúas telescópicas vehiculares y eliminar retrasos costosos en el Sistema de Agua de Circulación correspondiente a la Planta
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“Ramón Laguna” de la C.A. Energía Eléctrica de Venezuela; se decidió a diseñar un
Puente Grúa con capacidad de 15 Ton. A fin de calcular y diseñar el Puente Grúa se procedió inicialmente a hacer una revisión teórica de las partes más importantes que componen la grúa. Seguidamente se seleccionaron y calcularon en base a las Normas DIN y FEM los componentes a saber: gancho, aparejo, cable metálico, poleas y tambor del cable. A continuación se procedió al cálculo de la Viga Principal o Viga Puente tomando como criterios básicos la flecha, deflexión biaxial, costo, peso y acción del viento; resultando la misma una Viga Cajón doble o para carro Birriel (ZLK) producto de conocer la Luz y capacidad. Posteriormente se diseñó y calculo el Testero resultando del Tipo ABUS 400.350.3800.5.16, incluyendo todos sus componentes de acople a la Viga Puente y Motor de Traslación de la grúa, tales como: soldadura, pernos, planchas, ruedas, rodamientos, acople y ejes. En base a los resultados anteriores, se calculó la Viga Carrilera resultando del Tipo HEB 300, Grado DIN St. 37-2, incluyendo el carril Tipo Llantón 30x55. Seguidamente se procedió a seleccionar el carro birriel con su respectivo polipasto basándonos en la velocidad de elevación y traslación en trabajo, potencia, luz del puente, recorrido del gancho, carga máxima a elevar, factor de marcha, clasificación de las Normas FEM y DIN en base al tipo de actividad del Puente Grúa y costo; resultando del Tipo ABUS GM 5200.H6190.41.103D. Finalmente, se procedió al cálculo y selección del equipo eléctrico de Traslación del Puente tomando como criterios, la velocidad de trabajo, factor de marcha, recorrido del puente, potencia, resistencia a la rodadura y acción del viento; resultando del Tipo Jaula de Ardilla ABUS con una potencia de 2x1.32 Kw//2x0.3 Kw. Todo lo anteriormente calculado y descrito tiene un costo de 43080000 Bs. En moneda corriente, sin incluir el sistema eléctrico, construcción civil y manos de obra.
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2.2 TÉRMINOS BÁSICOS 2.2.1 Polipasto: Es el mecanismo de elevación por diferencial formado por un conjunto de poleas fijas y móviles utilizado para el izamiento o descenso de carga en un solo eje. (Norma CONVENIN 3510:1999).
2.2.2 Luz: Distancia horizontal entre el centro del riel y el centro del riel de las vigas de rodadura de la grúa (Norma CONVENIN 3510:1999). 2.2.3 Factor de seguridad: Es la razón entre la carga de rotura y la carga segura permisible, sobre una pieza, estructura o mecanismo. Dicha razón se utiliza cuando se diseña la pieza, teniendo en cuenta las condiciones normales de servicio y evitando posibilidad de imprecisiones de cualquier tipo, incluyendo la variación de fuerzas resultante del deterioro durante el servicio. (Diccionario Ingeniería Mecánica, Hermanos Nayler, 1987). 2.2.4 Acometida: Se llama acometida en las instalaciones eléctricas a la derivación desde la red de distribución de la empresa suministradora hacia la edificación o propiedad donde se hará uso de la energía eléctrica. 2.2.5 Esfuerzo: Se le llama así a la fuerza por unidad de área, o la intensidad de las fuerzas distribuidas a través de una sección dada 2.2.6 Motor Eléctrico: Es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas.
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2.3 Reseña histórica de la grúa puente La necesidad de transportar objetos se remonta a los inicios de la humanidad misma, siendo el hombre el primer medio de izamiento y transporte asumiendo el papel de máquina de carga. Del transporte sobre los hombros o sobre la cabeza, se evoluciona al empleo de elementos auxiliares, como larguero sobre los hombros o como sacos para colocar sobre la espalda. Hacia 700 A.C los mecánicos griegos desarrollan la técnica de la descomposición de las fuerzas con ayuda de los llamados polipastos. El polipasto se compone de una polea fija y una segunda sujeta al objeto a desplazar. Una cuerda discurre, partiendo de un punto fijo, primero alrededor de la polea móvil y después de la fija. Estirando el extremo libre, la carga se desplaza únicamente la mitad de la distancia que lo hace el extremo libre. Luego el período grecorromano (del siglo X A.C al siglo V D.C) constituye una etapa de gran impulso en la evolución de la tecnología de la elevación. Un elemento clave para la elevación es la polea compuesta, inventada en este período. En el siglo III A.C Arquímedes desarrollo las leyes de la palanca. Creo un sistema teórico sobre la multiplicación de la fuerza que se consigue con la palanca, el efecto de la cuña y la utilización del plano inclinado y de la polea. Desarrollo una extensa teoría acerca de los polipastos con las transmisiones de fuerza. Construyó también un polipasto en que varias cuerdas discurrían paralelas por numerosos rodillos con lo que se distribuían entre si la fuerza de cargas muy pesadas. Sin embargo, fueron los romanos y no los griegos, los que sacaron un rendimiento práctico a estos trabajos teóricos; lograron la realización técnica; disponían de las cuerdas con resistencia suficiente, y con el curso del tiempo, incluso de cables de alambre. Con el principio del polipasto, los romanos construyeron grandes grúas para cargas muy pesadas, con uno o dos árboles inclinados, sujetos mediante cabos. Finalmente, no fue sino hasta el año 1888 que se creó el primer carro eléctrico de un puente grúa gracias a las recientes aplicaciones de la electricidad. En el aspecto del
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material, la tecnología del hierro y del acero anunció el futuro de las estructuras rígidas y resistentes que iban a desplazar a las vigas de madera utilizadas anteriormente. En muy pocos años se produjo el gran cambio, de ver grúas de madera o con tambores manuales se pasó a ver aparatos de elevación en acero accionados a vapor o eléctricamente no muy diferentes a la de nuestros días.
2.4 Grúa Puente La grúa puente según (Marín y Romero, 1997) es un tipo de aparato de elevación, compuesto por una viga, simple o doble, biapoyada sobre dos carriles elevados sobre unos postes, dispuestos a tal efecto o componentes de la estructura resistente de la nave o edificación. El movimiento longitudinal se lleva a cabo mediante la traslación 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. Como en el caso anterior la rodadura es para todos los casos de tipo acero-acero. El movimiento vertical se ejecuta a través del mecanismo de elevación: polipasto o carro.
Figura 2.1. Elementos característicos de una nave industrial tipo puente grúa Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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2.4.1 Clasificación de las grúas puente según las normas que los rigen A)
Clasificación según las normas FEM
Los puentes grúa en cuanto a las normas FEM (Federación Europea de la Manutención) se clasifican según: El tiempo de funcionamiento El tipo de carga Los choques a los que están sometidos
En la siguiente tabla se indica esta clasificación de los puentes grúa: Tabla 2.1. Clasificación de las grúas puente según normas FEM Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Los coeficientes de compensación y de choque son los siguientes: Tabla 2.2. Características de las grúas puente según el grupo. Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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B)
Clasificación según las normas británicas BS 2573
Según las normativas británicas BS 2573 se clasifica a los puentes grúa según las condiciones a las que se encuentra sometido. Estas son: El tipo de servicio que presta El número de horas de utilización por año Las velocidades de funcionamiento Su empleo
La clasificación de las grúas es necesaria porque se deben aplicar diversos factores de seguridad en su diseño, estos factores son más altos según el tipo de servicio que prestan. Dicha clasificación cataloga a las grúa puente en clases, acorde a la información de la siguiente tabla: Tabla 2.3. Clasificación acorde a las normas británicas BS 2573 Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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2.4.2 Clasificación general de la Grúa Puente según sus características y prestaciones.
Grúa Puente monorriel La grúa puente monorriel está conformado por una sola viga y constituye una solución eficaz para el movimiento de cargas cuando es necesario aprovechar toda la altura disponible del local, y el edificio no es extremadamente ancho. Las grúas puente de este tipo disponen de doble velocidad en todos los movimientos (elevación, traslación del carro y traslación del puente) y se encuentran equipados con polipastos como se puede apreciar en la siguiente figura.
Figura 2.2. Puente grúa monorraíl Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Presentan capacidades desde 1 hasta 25 toneladas y ofrecen la mejor relación prestación/servicio. La grúa puente monorriel puede ser a su vez:
a)
De viga simple
Como su nombre lo indica utiliza una sola viga de perfil W, por el cual se trasladara el polipasto. Esta opción es más barata y liviana porque solo necesita una viga, en lugar de dos vigas en conjunto que utilizan una grúa puente de doble viga de la misma capacidad. El trabajo de montaje además es menor al igual que la cantidad de materiales adicionales necesarios para esta operación.
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b)
De viga compuesta
Se compone de 2 perfiles para formar una sola viga. Se puede utilizar un perfil W acoplado en sus patines a un perfil C a fin de aumentar su resistencia en las partes donde el esfuerzo es mayor.
También se puede utilizar vigas de celosía o de tipo cajón siempre que en su parte inferior lleve un perfil W por el que se pueda desplazar el polipasto. La conformación de este tipo de vigas y sus secciones transversales se indican en la siguiente figura.
Figura 2.3. Viga Compuesta Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Con respecto a la alternativa de usar viga simple, la viga compuesta es más efectiva pues permite un mejor aprovechamiento de la distribución del material. El ala en compresión que es una parte critica a las solicitaciones de pandeo lateral, se halla reforzada por el canal, en tanto que el ala en tracción que tiene esfuerzos permisibles mayores, no tiene refuerzo.
Figura 2.4. Vigas y celosías de tipo cajón Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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También, el canal dispuesto en esa forma aumenta considerablemente el momento de inercia de la viga en sentido y-y que es solicitado cuando se desarrollan fuerzas horizontales debidas al frenado o a la aceleración de la carga. El tamaño del perfil no necesita cubrir toda la longitud de la viga sino aquella porción donde los momentos flectores tienen su mayor valor.
Grúa puente birriel
Consta de un acople de doble viga en el cual se apoya el carro que sustenta el polipasto. Este modelo permite alcanzar la máxima altura del gancho, es ideal para cargas elevadas o naves con luz media o grande, y la capacidad total de carga puede alcanzar las 100 Ton.
Figura 2.5. Grúa puente birriel Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Se pueden citar las siguientes características con respecto a este modelo: El carro se traslada sobre rieles soldadas en la parte superior de las dos vigas. La carga se distribuye igualmente sobre las dos vigas.
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Las vigas utilizadas pueden ser de los siguientes tipos:
Vigas de perfil laminado
Figura 2.6. Vigas de perfil laminado Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Vigas formadas de plancha de acero
Figura 2.7. Viga formada de plancha de acero Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Vigas formadas de plancha y ángulos
Figura 2.8. Perfil conformado por la unión de plancha metálica y ángulo Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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Vigas de celosía
Figura 2.9. Vigas de celosía Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Vigas de tipo Cajón
Figura 2.10. Vigas de tipo cajón Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Las grúas de doble viga son en general más caras, tanto en su parte estructural, que requiere mayor cantidad de material, como en su parte electromecánica. Aunque el costo adicional se compensa con mejores condiciones de estabilidad en comparación a las grúas monorriel.
Grúa puente Pórtico Este puede ser monorriel o birriel y se diferencia de los anteriores en que las vigas se encuentran conectadas a un pórtico fijo, el mismo que se traslada a lo largo de la instalación. Un ejemplo de este tipo de instalación se puede observar en la siguiente figura11.
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Figura 2.11. Puente grúa pórtico Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
El pórtico es ideal cuando no se desea construir una estructura soporte o la nave no es capaz de soportar cargas en elevación. Presentan capacidades desde 250 kg hasta 50 Ton.
Grúas Pluma La pluma es muy eficaz cuando se desea manipular cargas en zonas más reducidas (hasta 200 metros cuadrados).
Figura 2.12. Grúa pluma Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Existen modelos con giro de 180°, 270° y 360° con rotación manual o motorizada. El sistema de fijación es muy diverso: pluma con pie, pluma mural fijada en la pared o en una columna y pluma suspendida fijada en el techo.
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Grúas semipórtico Constituye 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 y por el otro en columnas móviles que van sujetas a la viga de la 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, tal y como se observa en la siguiente figura.
Figura 2.13. Grúa Puente semipórtico Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.4.3 Partes constitutivas de una Grúa Puente En la figura 2.14 se detallan los componentes típicos que conforman una grúa puente.
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Figura 2.14. Partes de un puente grúa monorriel Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Partes constitutivas: 1. Armario de traslación. 2. Armario polipasto. 3. Final de carrera de elevación. 4. Brazo arrastrador de alimentación del carro. 5. Soporte de fijación. 6. Carritos. 7. Motor para movimiento longitudinal. 8. Brazo toma corrientes. 9. Armario de traslación. 10. Final de carrera de traslación de puentes. 11. Tope final. 12. Soporte de protección de mangueras. 13. Botonera con conector. 14. Soportes de las mangueras. 15. Empalme de perfil. 16. Soporte deslizante. 17. Soporte para conducción de cable. 18. Limitador de carga. 19. Final de carrera de traslación del carro. 20. Topo de accionamiento final del carro. 21. Radio (opcional). 22. Topes de carro en mono viga
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A continuación se procede a detallar las partes principales que comprende el sistema de izaje tipo grúa puente:
2.4.3.1 Mecanismo de elevación y traslación Es el sistema que cumple con la función básica de izar la carga y transportarla a lo largo de un recorrido predeterminado según las condiciones de diseño. Para ello utiliza una o dos velocidades generalmente, es decir, una velocidad de precisión o lenta y otra velocidad rápida. El mecanismo de elevación, comúnmente denominado polipasto se compone de las siguientes partes fundamentales: El aparejo móvil, el tambor del cable, el reductor, el freno y el motor de accionamiento. Todos estos elementos conforman un sistema compacto incluyendo un conjunto de elementos auxiliares. Por su parte, el mecanismo de traslación se divide en dos mecanismos, el carro y el equipo de traslación del puente (testero). El carro permite la traslación de la carga y del polipasto a través de la Luz de la grúa puente. Están integrado los siguientes componentes: El reductor, motor de accionamiento, ruedas, rodamientos y ejes, formando parte de la viga testera o port a puente. En todas partes cuando no se trata de una utilización puramente ocasional y momentánea, se prefiere utilizar el polipasto eléctrico en lugar de aparatos de elevación movidos a mano Existen tres tipos de mecanismo: - El polipasto monorriel - El carro polipasto - El carro abierto
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La elección del mecanismo de elevación de un puente grúa es función de la capacidad de carga y de la luz del puente grúa.
2.4.3.1.1 El polipasto monorriel Este mecanismo de elevación se caracteriza por su constitución en línea y por su tendencia hacia el mínimo peso propio. La estructura resistente está conformada por las propias carcasas de los mecanismos de accionamiento, reducción y eléctricos. Este tipo de mecanismo cubrirá el campo de aplicación de manutención de cargas bajas.
2.4.3.1.2 El carro polipasto Se utiliza para la manutención de cargas de nivel intermedio. Sus características principales son la simplicidad del polipasto y la rodadura sobre dos carriles que le permite la elevación del nivel de carga. Para este mecanismo de elevación, la estructura resistente esta compuesta por uno o dos travesaños sobre los cuales apoyan todos los mecanismos de elevación, accionamiento o traslación, si existe. Así mismo lleva uno o dos largueros donde apoyan los rodillos de rodadura.
2.4.3.1.3 El carro abierto Es el mecanismo de elevación de cargas elevadas, por excelencia, su estructura resistente, robusta, es capaz de soportar las fuertes cargas verticales y de transmitir los esfuerzos generados por la carga útil a los rodillos de rodadura.
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2.4.3.2 La viga principal o viga puente Es elemento que soporta la carga útil, su propio peso y demás equipos auxiliares de una grúa puente, permitiendo absorber los esfuerzos generados por las diferentes cargas aplicadas y transmitirlas a una estructura fija. Para el manejo de cargas bajas, es frecuente utilizar puentes grúas de una única viga principal, recorrida por un polipasto simple o monorriel. Cuando la carga útil sobrepasa las 10 toneladas, es normal la disposición de doble viga principal, recorrida por un carro polipasto birriel. En el primer caso, es decir, cuando la máxima carga a transportar no supera las 4 toneladas, la viga principal está constituida normalmente por un perfil laminado en forma de “I”. Los rodillos de rodadura del polipasto suelen circular por las alas inferiores
del perfil. Cuando la carga útil es elevada, ambas vigas principales, unidas por vigas testeras en sus extremos, son fabricadas en diferentes formas: vigas en celosía, viga de vierendeel y viga cajón. Para este trabajo especial de grado se cuenta con una grúa puente con una viga principal de perfil laminado. La viga cajón está constituida por cuatro láminas de acero que confinan una sección rectangular o cuadrada. Su utilidad se debe fundamentalmente a la sencillez del proceso de fabricación. Por otra parte, los procesos realizados en las técnicas de soldadura han permitido la construcción de alta resistencia ante efectos de flexión y cortadura. Con este nuevo estilo de construcción se consigue disminuir el costo global de la estructura.
2.4.3.3 Viga testera Es la estructura que se une o acopla a la viga principal para permitir la traslación del puente a lo largo de un recorrido predeterminado. Para facilitar su funcionalidad, se le
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incorpora a la misma algunos elementos como: ruedas, rodamientos, ejes estriados, parachoques y el motor de accionamiento. La nueva utilización de rodamientos permite reducir la resistencia a la marcha. En este trabajo especial de grado se trabajara con un carro testero que corresponde a una viga tipo cajón.
Figura 2.15. Viga testera Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.4.3.4 Camino de rodadura o Vía de Rodadura Es el sistema que cumple con la función de permitir una fácil rodadura del elemento rodante, conformar un perfil equilibrado y presentar un valor adecuado de la inercia en la grúa puente. En la totalidad de las grúas puente se utiliza como medio de rodadura la rueda de acero sobre el carril metálico. Únicamente las grúas vehiculares y pórticos auto-portantes utilizan rodaduras de tipo neumático-asfalto. El sistema de rodadura por carril metálico implica la selección y cálculo de la rueda y el propio carril. Para ello se parte de un numero de ruedas determinadas, sabiendo la carga por ruedas se selecciona el carril y sí es necesario se aumenta el número de ruedas. El diseño continúa comprobando la rueda para el carril seleccionado, si la rueda no se ajusta hay dos posibilidades: aumentar el diámetro de la rueda o aumentar el número de ruedas.
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2.4.3.5 Tipos de carriles Existen diferentes tipos de carriles, si bien todos ellos presentan características comunes, es necesario que cada elemento rodante tenga su propio carril de acuerdo a las características de la grúa
2.4.3.5.1 Carril tipo llantón Son carriles ordinarios. Se emplean frecuentemente sobre los caminos de rodadura implementados sobre perfiles laminados o vigas cajón (rodadura de carros de puentes grúa, grúas pórticos o grúas consola). Se suministran rectangulares, con las esquinas superiores redondeadas o achaflanadas, con superficie bombeada. En la figura se muestran los distintos tipos de perfiles llantón
Figura 2.16. Tipos de perfiles llantón Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.4.3.5.2 Carril tipo Burbach Es frecuente el empleo de carriles Burbach, que presentan una cabeza ancha para soportar las grandes cargas y un patín muy ancho que facilita la fijación. Es el más utilizado en rodadura de aparatos tanto por carriles elevados como sobre fundación de hormigón.
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Figura 2.17. Carril tipo Burbach Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.4.3.5.3 Carril tipo Vignole Existe una tendencia a utilizar carril tipo Vignole frente al clásico perfil tipo Burbach, debido a su mayor relación inercia/peso. Actualmente se utiliza únicamente en rodaduras de ferrocarriles.
Figura 2.18. Carril tipo Vignole Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.4.3.5.4 Carril tipo Plano Es utilizado para elementos de rodadura sin pestaña. En la figura se muestra el perfil del carril plano
Figura 2.19. Carril tipo Plano Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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2.4.3.6 Equipo Eléctrico Entre las fuentes de energía empleada actualmente en las grúas puente, ocupa el primer lugar la electricidad. El accionamiento manual sólo se utiliza en los equipos de pequeña capacidad. El accionamiento eléctrico está ampliamente extendido debido a sus ventajas de: generación central, distribución fácil de la energía, puesta en marcha inmediata, gran seguridad de servicios y buen rendimiento incluso en servicio intermitente. Antiguamente se empleaba un solo motor en conexión continua para mover los varios dispositivos de una grúa puente, utilizando embragues e inversores. Actualmente se prefiere utilizar un motor individual para cada movimiento, En cuanto a los motores eléctricos, se usan actualmente del tipo trifásicos asíncronos de anillos rozantes. Estos motores suministran un gran par de arranques ya que deben ponerse en marcha para la elevación en carga, estando ésta suspendida en el aire y teniendo que acelerarla en muy poco tiempo, llevando todas las masas desde 0 hasta la velocidad normal de funcionamiento. Su sentido de marcha debe ser reversible y deben ser capaces de ejercer un par de frenado. El equipo eléctrico está formado por una caja de conexiones, motores de accionamiento, botoneras y el sistema de colector con cables. La caja de conexiones suministra la energía eléctrica a todos los componentes eléctricos del polipasto, carro y motor de traslación. El sistema de colector es el encargado de transmitir y recoger la energía eléctrica que va hacia la viga principal. El sistema de cableado eléctrico cumple con la función básica de conducir la electricidad a los diferentes equipos.
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2.4.3.7 Sistemas de mando La elección del sistema de mando es función del tipo de carga, de trabajo y velocidad de traslación. Existen siete posibilidades: a.- Mando desde el suelo y desplazable a lo largo del puente. Para velocidades de traslación menores de 6.3 m/min. Se recomienda cuando existen obstáculos en el suelo o cuando es imposible la traslación del conductor acompañado de la carga. b.- Mando desde el suelo y suspendido del carro. Para velocidades de traslación menores de 63 m/min. Este sistema es adecuado para trabajos de reparación y montaje, así como para espacios donde no se dificulte el paso del conductor. c.- Mando desde el suelo y suspendido desde de un punto fijo del puente. Para velocidades de traslación menores de 63 m/min. Se utiliza para puentes grúas de luces reducidas. d.- Mando desde el suelo y suspendido desde un punto fijo a distancia. No existe limitación por velocidad. Se utiliza en casos especiales: centrales de energía nuclear, pisos elevados o sistemas de mando desde varios pisos. e.- Mando desde la cabina fija en el extremo del puente. Se utiliza cuando la velocidad de traslación supera los 63 m/min. Se requiere buena velocidad y es frecuente cuando se requiere proteger al conductor contra polvo y la intemperie. f.- Mando desde la cabina montada en el centro d el puente. g.- Cabina montada en el carro. Se recomienda cuando existen grandes luces y se requiere una observación exacta de la carga, de su amarre y de su desenganche.
2.5 Vigas sometidas a flexión
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En primer lugar es importante definir el concepto de flexión, la flexión es un tipo de deformación que se presenta en elementos estructurales en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. Según (Shigley y Msichke. 2002) dice: “Las vigas se deforman
mucho más que los elementos cargados axialmente, así que el problema de la flexión ocurre con más frecuencia que cualquier otro problema de carga en el diseño”. De allí la
importancia del estudio de este fenómeno.
Figura 2.20. Viga sometida a flexión con sus diagramas de fuerza cortante y momento flector. Fuente: Shigley (2002)
Un ejemplo de este tipo de deformación puede observarse en la figura # 20 donde la viga AB de longitud L se encuentra apoyada en sus extremos y posee una carga en el centro de la misma. Debido a la simetría de la carga se observa como la carga en los extremos son iguales a la mitad de ella. De igual forma, la figura refleja los diagramas de fuerza cortante y momento flector. Los diagramas de fuerza cortante y momento flector permiten la representación gráfica de los valores “V” y “M” a lo largo de los ejes de los elementos estructurales.
El momento flector es la suma algebraica por los momentos producidos por todas las fuerzas externas a un mismo lado de la sección res pecto a un punto de dicha sección. El momento flector es positivo cuando considerada la sección a la izquierda tiene una rotación en sentido horario. La relación entre la fuerz a cortante y el momento flector es:
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Ec. # 1 Otro parámetro importante para tomar en cuenta a la hora de estudiar la flexión en vigas, es la deflexión de la misma; la deflexión es el desplazamiento que sufre en este caso las vigas o cualquier otro elemento estructural debido a la aplicación de una determinada carga. Para el cálculo de la deflexión es necesario el estudio del radio de curvatura (ρ) descrito por las vigas al ser sometidas a un momento flector.
Ec. #2 Ec.#3
Igualando las ecuaciones #2 y #3 se tiene:
Ec. #4
También se sabe que la pendiente en cualquier punto de la viga puede determinarse por la siguiente ecuación:
Ec. #5 Finalmente, la ecuación para determinar la deflexión es:
Ec. #6 Para hallar la deflexión en toda la viga en primer lugar es necesario determinar el diagrama de fuerza cortante y momento flector, para luego por el método de integración (el más usado) encontrar con las ecuaciones #4, #5 y #6 respectivamente la deflexión de la viga en cualquier punto de la misma.
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2.6 Dimensionamiento de Grúas 2.6.1 Diseño para las cargas repetidas Las estructuras de acero que apoyan las grúas y los alzamientos requieren la especial atención al diseño y los detalles de la construcción para proporcionar las estructuras seguras y útiles particularmente con respecto a vida de fatiga de una estructura puede ser descrito como el número de ciclos del cargamento requerido para iniciar y para propagar una grieta de fatiga a la fractura final. Los problemas no se han restringido a las vigas del cauce de la grúa, sin embargo. Por ejemplo, bragueros o viguetas que no se diseñan para las cargas repetidas de los monorrieles o las grúas colgantes han fallado debido al cargamento inexplicable de la fatiga. Para todas las clasificaciones del servicio de la grúa, el diseñador debe examinar los componentes y los detalles estructurales que se sujetan a las cargas repetidas para asegurar la estructura tienen resistencia adecuada de la fatiga. Los miembros que se comprobarán para saber si hay fatiga son los miembros cuya pérdida debido al daño de la fatiga al contrario afectaría a la integridad del sistema estructural. Según (R.A Mac Crimmon, “Crane Supporting steel structures. 2009) dice: “Los factores principales que afectan al funcionamiento de la fatiga de un detalle
estructural se considera ser la naturaleza del detalle, de la gama de tensión a la cual se sujeta el detalle, y del número de ciclos de una carga. La susceptibilidad de detalles a la fatiga varía y, para la conveniencia, los requisitos de la fatiga en estándares por todo el mundo, especifica un número limitado de categorías del detalle. Para cada categoría la relación entre la gama de tensión permisible de la fatiga de amplitud constante y el número de ciclos del cargamento se da. Éstas son las curvas del S-N (tensión contra el número de ciclos).”
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Dos métodos de determinar las estructuras grúa, favorables para la fatiga se han convertido. Históricamente, por lo menos para las estructuras con servicio relativamente pesado de la grúa, el primer de éstos era clasificar la estructura por la condición de cargamento con respecto al servicio de la grúa. Mientras que esto ha trabajado razonablemente bien, este acercamiento tiene dos defectos. Primero, el número de ciclos, la estructura, se puede fijar algo demasiado alto con respecto a la vida de servicio de la estructura en la pregunta, y en segundo lugar, sólo se considera la gama de tensión máxima. El segundo, más reciente, acercamiento es determinar las varias gamas de tensión y los números correspondientes de ciclos a los cuales se sujete el detalle e intentar determinar el efecto acumulativo. El gravamen del número de N de los ciclos requiere cuidado como un elemento de la estructura se puede exponer menos o más repeticiones que el número de grúa levanta o atraviesa a lo largo del cauce. Por ejemplo, si fuera del doblez del plano es ejercido en una tela de la viga del cauce de la grúa en su ensambladura con el reborde superior por un carril que sea excéntrico una carga repetidor significativa ocurra en cada paso de la rueda y el número de ciclos es tiempos de n que el número de grúa pasa N donde está el número n de ruedas en el carril, por la grúa. También, para el cauce corto de la grúa del palmo las vigas dependiendo de las distancias entre la grúa ruedan, un paso de la grúa pueden dar lugar a más de una el cargamento completa un ciclo en la viga, particularmente si los voladizos están implicados. Por una parte, cuando la grúa levanta y las travesías se distribuyen entre varias bahías, una viga particular del cauce tendrá pocas repeticiones que el número de elevaciones para la discusión adicional de la interacción de la estructura de la grúa. Las provisiones aquí aplican el apoyo de las estructuras accionado eléctricamente, el funcionamiento de la tapa, puente rodante, grúas colgantes, y a los monorrieles, estructuras de poca potencia de la ayuda de la grúa, donde los componentes se sujetan a no más que de 20000 ciclos una carga repetida y donde las altas gamas de tensión
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adentro los detalles susceptibles de la fatiga no están presentes, no necesitan ser diseñados para la fatiga.
2.7 Clasificación del servicio de la grúa Las clasificaciones del servicio de la grúa según la fabricación de la grúa, asociación de la capacidad de elevación de América (CMAA) no son restringidas en cualquier clasificación y hay una variación del viento en tiempos de utilización dentro de cada una de las clasificaciones.
Clase A (servicio espera o infrecuente) Esto cubre las grúas usadas en las instalaciones tales como centrales eléctricas, servicios públicos, cuartos de la turbina, cuartos del motor, y las estaciones del transformador, donde la dirección exacta del equipo a las velocidades reducidas con períodos largos, ociosos entre las elevaciones se requiere. El levantamiento en la capacidad clasificada se puede hacer para la instalación inicial del equipo y para el mantenimiento infrecuente.
Clase B (servicio ligero) Esto cubre las grúas usadas en los talleres de reparaciones, operaciones de asamblea ligeras, edificios de servicio, luz que almacena, o el deber similar, donde están luz y la velocidad los requisitos del servicio es lento. Las cargas pueden variar de ninguna carga a cargas clasificadas completas ocasionales, con 2 - 5 elevaciones por hora.
Clase C (servicio moderado)
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Esto cubre las grúas usadas en tiendas de máquina o cuartos de la máquina del molino de papel, donde los requisitos son moderados. Las grúas manejarán las cargas con las cuales haga un promedio de 50% de la capacidad clasificada, con 5 - 10 elevaciones/hora, no sobre 50% de las elevaciones en la capacidad clasificada.
Clase D (servicio pesado) Esto cubre las grúas que se pueden utilizar en tiendas de máquina pesadas, fundiciones, plantas de fabricación, almacenes de acero, yardas del envase, molinos de la madera de construcción, y las operaciones estándar del cubo y del imán donde se requiere la producción resistente. Las cargas que se acercan a 50% de la capacidad clasificada se manejan constantemente durante período de trabajo. Las velocidades s on deseables para este tipo de servicio, con 10 - 20 elevaciones/hora, con no sobre 65% de las elevaciones en la capacidad clasificada
Clase E (servicio severo) Esto requiere las grúas capaces de manejar las cargas que se acercan a la capacidad clasificada a través de su vida. Los usos pueden incluir el imán, cubo, y las grúas de la combinación del imáncubo para las yardas del desecho, los molinos del cemento, los molinos de la madera de construcción, las plantas del fertilizante, envase que dirige, o similar, con 20 o más las elevaciones/hora, o cerca de la capacidad clasificada.
Clase F (servicio severo continuo) Esto requiere las grúas capaces de manejar las cargas que se acercan a capacidad clasificada continuamente bajo condiciones severas del servicio a través de su vida. Los usos pueden incluir las grúas creadas para requisitos particulares de la
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especialidad esenciales para la ejecución de las tareas de trabajo críticas que afectan a las instalaciones de producción totales. Estas grúas deben proporcionar la confiabilidad más alta, con especial atención a la facilidad de las características del mantenimiento. El espectro de la carga, reflejando el servicio real o anticipado de la grúa condiciona tan de cerca como sea posible, puede ser utilizado para establecer la clasificación del servicio de la grúa. El espectro de la carga (CMAA 2004) lleva a un factor de carga eficaz malo aplicado al equipo en una frecuencia especificada. Se seleccionan los componentes correctamente clasificados de la grúa basaron en el factor y el uso eficaces malos de carga según lo dado en la Tabla 4 adaptado de CMAA (2004). Tabla 2.4. Clasificación de servicio de grúa Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.8 Número de ciclos a carga plena basados en la clase de grúa El número de ciclos a carga plena de los criterios de la fatiga de CMAA para el diseño de la grúa se enumera en la Tabla 2.4 y 2.5.
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Estos criterios no se pueden aplicar directamente a una estructura portante. Las ediciones que deben ser consideradas son: a) Las longitudes de palmo de la estructura portante comparado al espaciamiento de la rueda de la grúa. b) El número de palmos sobre los cuales la grúa funciona. Por ejemplo, si la grúa funciona aleatoriamente sobre (x) palmos, el número equivalente de ciclos a carga plena para cada palmo pudo estar más bien el número de ciclos arriba, dividido por (x). Por una parte, en un tipo operación de la producción, cada palmo en un lado del cauce se puede casi sujetar al mismo número de ciclos a carga plena para los cuales la grúa se diseñe si viaja la grúa la longitud del cauce cargado completamente cada vez. c) El número de grúas. d) Sobre o bajo utilización de la grúa con respecto a su clase. Para la clase del servicio A de la grúa, B, o C donde la operación de elevación se distribuye aleatoriamente a lo largo de la longitud de las vigas del cauce y a través del puente de la grúa, se sugiere que el número de ciclos del cargamento de la amplitud diversa para los componentes de la estructura portante de la grúa se puede estimar como el número de ciclos a carga plena para la clase de grúa dividida por el número de palmos y multiplicada por el número de grúas, más a futuro la condición de que la vida del cauce es igual que la vida de la grúa. Tabla 2.5. Clasificación de grúas por ciclos Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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Por ejemplo, el cauce para una nueva grúa de la clase C, 5 palmos, sería diseñado para 100000 ciclos. Los números sugeridos de ciclos para el diseño de la estructura portante de la grúa en función de la clase de la grúa varían extensamente entre las fuentes. La base de las recomendaciones no está clara. La Tabla 2.6 presenta el número recomendado de ciclos para el diseño de la estructura portante de la grúa basada en la clase estructural de servicio. Comparando el número recomendado de ciclos en la tabla 2.5 al número de ciclos para la grúa en la tabla 2.6, aparece eso para este acercamiento a la clasificación estructural, la clase de servicio estructural debe ser 20% de los ciclos a carga plena para las clases A, B y C, y 50% de la grúa para las clases D, E y F. Tabla 2.6. Clasificación de las estructuras según los ciclos Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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2.9 Cargas de la Grúa Puente 2.9.1 Carga Vertical
C v s
En la determinación de la carga vertical del puente, el peso del puente sin carga, por definición corresponde a la carga muerta del sistema. Los fabricantes de puentes grúa proveen información de la máxima carga vertical incluido el impacto actuante sobre las ruedas de los carros testeros. Estas cargas pueden variar de rueda a rueda, dependiendo de la posición relativa de los componentes del puente y la carga a elevar; o a la vez esta carga se la puede determinar conociendo las masas del puente sin cargar, la carga máxima de operación, accesorios, ganchos, etc. Y sumando la carga de impacto vertical.
2.9.2 Carga de operación C n
Este tipo de carga comprende el peso a levantar, a un nivel máximo de operación. Esta carga no se supone dentro de las cargas muertas D citadas anteriormente ya que el peso a levantar no está integrado a la construcción de forma permanente.
2.9.3 Cargas generadas en el funcionamiento de la grúa puente. Debido a que las cargas generadas en los puentes grúa dominan el diseño de estructura muchos elementos estructurales en el mismo puente y en la estructura soportante, a continuación se mencionan las carga y las combinaciones de carga que se deben considerar según se menciona en el AISE Technical Report N13-2003.
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Las cargas de las grúa puente son consideradas como cargas separadas de otro tipo de carga vivas debido al uso, ocupación y efectos medio ambientales tales como cargas de viento, sismo, granizo, etc., ya que las generadas en las grúa puente son independientes de aquellas. Las cargas de la grúa puente tienen muchas características únicas que llevan a las siguientes consideraciones: Un factor de impacto, aplicado como cargas verticales sobre las ruedas para contar los efectos dinámicos como el movimiento del puente y otros efectos dinámicos como el movimiento del puente y otros efectos como el vencer la inercia del levantamiento de la carga desde el piso por medio del sistema de izaje. Cargas laterales aplicadas a los rieles del puente para dimensionar los efectos de las fuerzas de aceleración y frenado del trole con la carga elevada, desalineación de los rieles, y el no recoger la carga en la posición vertical. Fuerzas longitudinales debido a la aceleración y el frenado de la grúa puente y el no recoger la carga en la posición vertical. Posibles accidentes de impactos en los fines de carrera de las vigas carrileras a una velocidad máxima del puente. Según (CISC Canadian Institute of Steel Construccion: Crane-Supporting Steel Structures, 2005) estas consideraciones fueron determinadas después de años de experiencia en el diseño y construcción de estructuras que soportan grúas puentes.
2.9.4 Impacto Vertical C i
Constituye una asignación de carga dinámica de impacto vertical aplicada solamente a las ruedas del puente. Se lo considera únicamente en el díselo de la viga carrilera y sus conexiones.
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2.9.5 Empuje lateral C
ss
El empuje lateral es una fuerza horizontal de corta duración aplicada transversalmente por las ruedas del puente a los rieles y trasmitida hacia la estructura soportante. Para los puentes en funcionamiento el empuje es aplicado en la parte superior de los rieles de la viga carrilera. El empuje lateral tiene incrementos debido a las siguientes condiciones: Aceleración o frenado del trole Impacto del trole con los fines de carrera Levantamiento de carga no vertical Sesgado (incremento o descenso de la velocidad cuando el puente ya está en estado de MRU) Desalineamiento de los rieles de la grúa o del mismo puente El efecto de las cargas de empuje lateral es combinado con otras cargas de diseño presentadas anteriormente. La carga de empuje lateral es distribuida a cada lado de la viga carrilera. Se debe tomar en cuenta que una severa desalineación, como lo ocurrido en puntos viejos o mal mantenidos, puede llevar a generar una infinidad de fuerzas y consecuentemente un daño grave.
Figura 2.21. Empuje lateral efectivo y área efectiva resistente en vigas de sección abierta Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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2.9.6 Empuje axial CIS Según (CISC, 2005): “Es una carga de tracción longitudinal de corta duración, causada por la aceleración
o frenado de la grúa puente. Si el número de ruedas conductoras es desconocido, se debe tomar la carga de tracción como el 10% de la carga total de las ruedas. ”
2.9.7 Carga de impacto en los fines de carrera Cbs Esta es una fuerza longitudinal ejercida en la viga carrilera por el movimiento de la grúa puente cuando este choca contra sus fines de carrera. Basándose en la AISE (2003), es recomendable que se aplique esta carga a una rapidez máxima del puente sin carga. La carga aplicada a los fines de carrera debe ser incluida en el diseño de la viga carrilera, sus conexiones y el marco de soporte. La máxima carga de impacto para el diseño debe ser coordinada con el diseñador del puente y mostrada en los planos estructurales. La carga de diseño debe ser menor o igual a la máxima carga permisible en los fines de carrera. Además se debe tener en cuenta que las cargas de impacto de los equipos o maquinarias que produzcan vibración, se consideraran iguales al peso del equipo o maquinaria que produzca el impacto, siendo incrementadas de acuerdo a lo indicado en la siguiente tabla (a menos que se realice un análisis dinámico): Tabla 2.7. Factores de impacto Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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2.9.8 Factores de impacto, impacto, empuje lateral lateral y empuje axial. axial. El impacto vertical, el empuje lateral y las fuerzas de tracción de grúas, monorrieles, pescantes, y otros equipos móviles deben incluirse en el diseño de miembros portantes y sus conexiones como un porcentaje adicional de carga, según se muestra en la tabla siguiente: Tabla 2.8. Porcentajes de impacto vertical, empuje lateral y empuje axial Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Notas: (1) De la carga máxima por eje, sobre riel. (2) De la suma de los pesos de: (a) la capacidad de levantamiento de la grua (b) el peso propio de la grúa. Aplicada ½ al extremo de cada riel, en cualquier dirección y perpendicular a los rieles. (3) De la carga máxima al eje, aplicada al extremo del riel. (4) Los rieles guía de la grúa también deben diseñarse para las fuerzas que se generan al detener la grúa. Esas fuerzas son las resultantes de detener súbitamente la grúa al 40% de la velocidad máxima de operación, de acuerdo con ANSI/ASME B30.22. Se debe tener en cuenta que el empuje lateral total debe ser el mayor valor entre lo especificado n la tabla anterior o el 10% del peso combinado de la carga máxima a levantarse y el peso de la grúa puente sin carga.
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2.10 Factores influyentes del esfuerzo máximo permisible. Dos factores influyen considerablemente en el esfuerzo máximo permisible a flexión Fb, dentro del diseño de las secciones laminadas. Estos son: Geometría de la sección (basada en la relación ancho del patín/espesor) y la relación peralte/espesor del alma) Apoyo lateral (o espaciamiento del soporte lateral)
muy grande Figura 2.22. Pandeo del patín cuando la compresión es muy
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.10.1 Geometría de la sección Si las relaciones ancho/espesor del patín
y peralte/espesor del alma
no
fuesen adecuadas, los elementos de la sección tenderán a pandearse con bajos esfuerzos de compresión. Esta compresión se debe a la flexión más algunos esfuerzos debidos a cargas axiales.
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Figura 2.23. Dimensiones del perfil W Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Este factor no es muy importante como los requerimientos de soporte lateral ya que no se tiene control sobre la geometría de la sección y es el productor de perfiles laminados quien controla este aspecto. La geometría de un perfil laminado puede ser tal que se produzca una sección compacta o no compacta. (Para secciones no compacta). (Para secciones compactas) Comprobación de una sección compacta Una sección compacta es aquella en la que se produce una plastificación de la sección antes de la falla, y esto ocurre cuando el esfuerzo máximo a flexión del borde de la viga es igual al esfuerzo de fluencia. Cuando se sigue incrementando el momento flector de la viga, el esfuerzo del borde no se eleva, sino que se propaga de manera total al interior de la sección con la cual la viga puede soportar un momento flector un poco mayor al de fluencia sin que esta quede deformada plásticamente. Cuando se da la plastificación total de la sección y el momento flector se incrementa, la viga se deforma plásticamente.
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A continuación se mencionan las características que debe cumplir una sección compacta y que deben ser comprobadas.
1. Deben ser perfiles laminados en caliente. 2. El patín de compresión debe estar conectado de manera continua al ala de la viga 3. Tiene las siguientes relaciones de ancho/espesor del patín.
4. En una viga cuya carga axial sea cero, la relación
esta parcialmente
controlada por la presencia de una carga axial.
2.10.2 Apoyo Lateral Si el patín d compresión no está soportado en algunos intervalos a lo largo de la zona de compresión, se pandeara en el plano o fuera del plano acompañado de torsión. El patín de compresión debe soportar adecuadamente para satisfacer los últimos criterios Compactos. La distancia entre soportes laterales sea la menor de las siguientes distancias L 1 o L2 y se le denomina L C (longitud soportada lateralmente para una sección compactada) y el mayor valor es LU.
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Donde: Bf : ancho del patin de compresión, en in o mm. D: Peralte de la sección, en in o mm Af : Area del patin de compresión b f x tf Sy : Esfuezo de fluencia en kip/in 2 o MPa. Los valores antes mencionados se encuentran tabulados e n las tablas de la AISC.
2.11 Diseño de vigas simples El diseño de vigas en base a la información preliminar sobre las mismas debe cumplir lo siguiente: 1. 2. 3. Comparando los valores de la longitud de la viga con los valores de L c y Lu se tienen 3 casos de análisis:
Caso 1 Seccion Compacta. L≤LC
Fb = 0.66. S y
Caso 2
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Independiente de la sección Lc
Caso 3 Independiente de la sección L≥LU
Fb<0.6.Sy Comprobar la esbeltez a flexion
La esbeltez a flexión se calcula por la siguiente:
Donde: L: Longitud de la viga r t: Radio de giro efectivo del patín de compresión, que se encuentra tabulado en tablas de perfiles de la AISC.
Caso 3.1 λf ≤Li
Cb: Factor de gradiente de momentos.
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Cuando el momento flector en algún punto dentro de la longitud no arreostrada de la viga es mayor que el momento en ambos extremos, el valor de C b debe ser tomada como la unidad. M1: Menor momento en los extremos con signo. M2: Mayor momento en los extremos con signo. Fb: 0.6. S y
Caso 3.2 Li<λf
Li= Ls= Fb= [
]Sy
Caso 3.3 λf>Ls
2.12 Efectos del cortante La distribución del efecto cortante en cualquier sección sujeta a flexión puede calcularse usando la ecuación:
La AISC permite el uso de la siguiente ecuación ya sea para secc iones laminadas o fabricadas. Esta difiere un poco del valor máximo pero es más fácil de calcular.
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Donde: V: Carga de corte d: Peralte de la sección. tw: Espesor del alma. Los efectos de esfuerzo cortante deben cumplir lo siguiente:
2.13 Deflexión en estructuras Para todas las estructuras diseñadas de acuerdo con las normas AISC, debe documentarse en el diseño la deflexión máxima para los elementos que trabajan a flexión. Los criterios de deflexión deben considerar el AISC-Manual of Steel Construction. La deflexión máxima permisible para estructuras y miembros sometidos a flexión deben estar de acuerdo con la siguiente tabla: Tabla 2.9 Deflexiones máximas permisibles Fuente: AISC- Manual of steel construction section L3
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2.13.1 Métodos para calcular la deflexión en vigas Existen muchas técnicas que se emplean para resolver la deflexión en vigas. Algunos métodos populares son:
Superposición
Método de Área-Momento
Funciones de singularidad
En este trabajo especial de grado se utilizara el método de superposición para calcular la deflexión en vigas.
2.13.2 Calculo de la deflexión en vigas por superposición El método de superposición resuelve el efecto de cargas combinadas sobre una estructura mediante la determinación de los efectos de cada carga por separado y sumando algebraicamente los resultados. En la siguiente tabla se tiene las ecuaciones necesarias para resolver la deflexión por superposición:
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Tabla 2.10 Deflexión en vigas por el método de superposición Fuente: Beer y Jhonston
Existen muchos casos de cargas aplicadas en vigas para los cuales, los valores de deflexión máxima ya fueron calculados en el libro de Shigley 6. Estos son los siguientes:
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Apoyos simple: Cargas idénticas
Figura 2.24. Deflexión para una viga simplemente apoyada bajo cargas iguales Fuente: Shigley y Misckley (2008)
Apoyos simples: carga uniforme
Figura 2.25 Deflexión para una viga simplemente apoyada bajo carga distribuida Fuente: Shigley y Misckley (2008)
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2.14 Columnas La columna es un elemento sometido principalmente a compresión, por lo tanto el diseño está basado en la fuerza axial interna. Pero debido a las condiciones propias de las columnas, también se diseñan para flexión de tal forma que la combinación así generada se denomina flexo-compresión. Según el uso actual de la columna como elemento de un pórtico, no necesariamente es un elemento recto-vertical, sino es el elemento donde la compresión es el principal factor que determina el comportamiento del elemento. Es por ello que el pre dimensionado de columnas consiste en determinar las dimensiones que sean capaces de resistir la compresión que se aplica sobre el elemento así como una flexión que aparece en el diseño debido a diversos factores. Cabe destacar que la resistencia de la columna disminuye debido a efectos de geometría, los cuales influyen en el tipo de falla. El efecto geométrico de la columna
se denomina esbeltez y es un factor
importante, ya que la forma de fallar depende de la esbeltez. Para la columna poco esbelta, la falla es por aplastamiento y este tipo de columna se denomina columna corta. Los elementos más esbeltos se denominan columnas largas y la fala se da por pandeo. La columna intermedia es aquella donde la falla se produce por una combinación de aplastamiento y pandeo. Además, los momentos flectores que forman parte del diseño de la columna disminuyen la resistenc ia del elemento tipo columna.
2.15 Soldadura Las estructuras se forman mediante conjuntos de chapas o perfiles unidos entre sí con enlaces capaces de soportar los esfuerzos que se transmiten entre las piezas. El objeto principal de la unión es el de asegurar la mejor continuidad de las piezas, continuidad que será más perfecta cuanto más uniforme sea la transmisión del esfuerzo. La transmisión de esfuerzos en las uniones se hace en muchas ocasiones de modo indirecto, ya que para pasar el esfuerzo de una pieza a otra se la obliga
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previamente a desviarse de su trayectoria normal. En el caso de soldadura a tope, la transmisión es directa. El cordón de soldadura tiene tres partes bien diferenciadas:
Figura 2.26. Partes de un cordón de soldadura Fuente: Armijo (2007)
Zona de soldadura: Es la zona central, que está formado fundamentalmente por el metal de aportación.
Zona de penetración. Es la parte de las piezas que ha sido fundida por los electrodos. La mayor o menor profundidad de esta zona define la penetración de la soldadura. Una soldadura de poca penetración es una soldadura generalmente defectuosa.
Zona de transición. Es la más próxima a la zona de penetración. esta zona, aunque no ha sufrido la fusión, sí ha soportado altas temperaturas, que la han proporcionado un tratamiento térmico con posibles consecuencias desfavorables, provocando tensiones internas.
Las dimensiones fundamentales que sirven para determinar un cordón de soldadura son la garganta y la longitud. La garganta (a) es la altura del máximo triángulo isósceles cuyos lados iguales están contenidos en las caras de las dos piezas a unir y es inscribible en la sección transversal de la soldadura.
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2.15.1 Proceso de Soldadura GMAW La soldadura GMAW (gas metal arc welding) o Soldadura MIG (metal inert gas) es también conocida como Gas Arco Metal o MAG, donde un arco eléctrico es mantenido entre un alambre sólido que funciona como electrodo continuo y la pieza de trabajo. El arco y la soldadura fundida son protegidos por un chorro de gas inerte o activo. El proceso puede ser usado en la mayoría de los metales y la gama de alambres en diferentes aleaciones y aplicaciones es casi infinita.
Lo que determina la ejecución correcta de este proceso es: -
La fluidez de la soldadura fundida.
-
La forma del cordón de la soldadura y sus bordes.
-
La chispa o salpicaduras que genera (Spatter).
Un buen procedimiento de soldada está caracterizado por la poca presencia de porosidad, buena fusión, y una terminación libre de grietas o quebraduras.
2.15.2 Influencia del Gas y el Arco de la Soldadura. El uso de Anhídrido Carbónico (CO2) causa más turbulencias en la transferencia del metal del alambre al metal base con la tendencia a crear cordones de soldadura más abultados y un alto incremento de las salpicaduras. Las mezclas de gases con bases de Aragón (Ar) proveen transferencias de metales más estables y uniformes, buena forma del cordón de soldadura y las salpicaduras son reducidas al mínimo, además de un rango más bajo en la generación de humo. El incremento en el Voltaje del arco tiende a incrementar la fluidez, haciendo las soldaduras mas rasas, afectando la penetración de los bordes y generando más salpicaduras, Los voltajes más altos reducen considerablemente la penetración y podrían causar la perdida de elementos que forman parte de la aleación.
79
1. La limpieza de los bordes a soldar 2. La calidad y estado de uso de los electrodos El precalentamiento del material para espesores considerables
2.15.3 Procedimientos de Soldadura Existen variables diversas para cada método de soldadura; dentro de todas ellas podemos nombrar:
-
Espesor de la pieza.
-
Calidad del acero a soldar.
-
Piezas con bordes preparados o no para recibir soldadura.
-
Intensidad de la corriente.
-
Velocidad de avance.
-
Otras. En la normativa correspondiente se establece una serie de prescripciones
generales para que las uniones por soldadura posean la resistencia prevista. Estas prescripciones indican: 1. Orden de ejecución de los cordones, 2. Eliminación de escoria, 3. Condiciones del enfriamiento 4. Otras.
Para las soldaduras a tope es importante preparar los bordes, tareas previas necesarias para espesores entre 7 y 10 mm., según la clase de electrodo a emplear.
80
El Procedimiento de Soldadura se realiza complementando las normas mencionadas, sobre todo para soldaduras que puedan presentar dificultades. En estos casos se fijan los parámetros específicos que ameritan, se realiza una muestra a tamaño real y luego se procede al ensayo con la muestra. Si el conjunto con la unión conservan las mismas características que el material base (en relación al límite elástico, tensión de rotura, plegado, resiliencia, etc.), entonces se ha definido un procedimiento de soldadura.
2.15.4 Código ANSI/AWS D1.1 de Soldadura Estructural -Acero Este Código cubre los requisitos aplicables a estructuras de acero al carbono y de baja aleación. Está previsto para ser empleado conjuntamente con cualquier código o especificación que complemente el diseño y construcción de estructuras de acero. Quedan fuera de su alcance los recipientes y tuberías a presión, metales base de espesores menores a 1/8 Pulg (3.2 mm), metales base diferentes a los aceros al carbono y de baja aleación y los aceros con un límite de cedencia mínimo mayor a 100,000 lb/pulg2 (690 MPa).
2.15.5 Especificaciones AWS para materiales consumibles de soldadura La Sociedad Americana de Soldadura publica -entre una cantidad numerosa de normas (algunas de las cuales han sido descritas o referidas en este texto) sobre usos y calidad de materiales, productos, pruebas, operaciones y procesos de soldadura, las especificaciones para varillas, electrodos y metales de aporte de soldadura. Estas especificaciones cubren la mayor parte de los materiales consumibles empleados en procesos de soldadura y soldadura fuerte, e incluyen requisitos obligatorios y opcionales. Los requisitos obligatorios cubren aspectos tales como composición química y propiedades mecánicas, fabricación, pruebas, marcado e identificación y empaque de los productos. Los requisitos opcionales incluidos en apéndices se proporcionan como fuente de información sobre la clasificación, descripción o uso previsto de los metales de aporte cubiertos.
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La designación alfanumérica de la AWS para especificaciones de metales de aporte consta de una letra "A” seguida de un 5, un punto. y uno o dos dígitos adicionales, por ejemplo la AWS A5-1, Especificación para Electrodos de Acero al Carbono para Soldadura por Arco Metálico Protegido. Cuando ASME adopta estas especificaciones, ya sea de manera completa y fiel o con revisiones, le antepone las letras "SF” a la designación AWS, así, la especificación ASME SFA5.1 es similar, si no
idéntica, a la AWS A5.1 (de la misma edición).
2.15.6 Posiciones de Soldadura. La clasificación de las posiciones que se indican más adelante tiene aplicación principalmente a la hora de juzgar la habilidad de los soldadores u operadores de las maquinas de soldeo y también cuando se trata de responsabilidad. La AWS (Sociedad Americana de Soldadura) y otras especificaciones, distinguen las posiciones cuando se trata de soldar chapas o tuberías, tanto a tope como en ángulo como se indica a continuación.
Figura 2.27. Posiciones de soldadura en placas con soldadura de ranura. Fuente: Armijo (2007)
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soldadura en placas con soldadura de filete Figura 2.28. Posiciones de soldadura Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Figura 2.29. Posiciones de soldadura en tubo con soldadura de ranura Fuente: Armijo (2007)
soldadura en tubo con soldadura de filete Figura 2.30. Posiciones de soldadura Fuente: Armijo (2007)
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soldadura de filete Figura 2.30A. Posiciones de soldadura en tubo con soldadura Fuente: Armijo (2007)
2.15.7 Tipos de Juntas. Existen cinco estilos básicos de juntas que son: -
La junta en T
Figura 2.31. Junta a traslape Fuente: Armijo (2007)
Figura 2.32. Junta a tope Fuente: Armijo (2007)
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Figura 2.33. Junta de esquina Fuente: Armijo (2007)
Figura 2.34. Junta de orilla Fuente: Armijo (2007)
Figura 2.35. Junta en “T” Fuente: Armijo (2007)
2.15.8 Configuración de Biseles. Las ranuras mismas, dependiendo de su uso final (mantenimiento normal y reparación; uso en alta presión, con sellamiento hermético; y así sucesivamente) pueden prepararse por cualquiera de los métodos siguientes: corte a la llama, esmerilado, corte en sierra, fresado y cizallado. La selección de las aberturas en la raíz
85
y los ángulos de ranura está influida también en alto grado por los materiales a unir, la localización de la junta en el conjunto soldado y el desempeño re querido. Las juntas de ranura en J y en U pueden usarse para minimizar la cantidad de metal soldado que se requiere, cuando los ahorros son suficientes para justificar las operaciones de biselado, más difíciles y costosas. Estas juntas son particularmente útiles en la soldadura de piezas de gran espesor. Una desventaja de las juntas de ranura en J y de ranura biselada es la de que son difíciles de soldar para lograr juntas perfectas, debido al problema común de atrapamiento de escoria a lo largo de su lado recto. El criterio más importante para la resistencia en una junta soldada de ranura es el grado de penetración de la junta. Como las juntas soldadas se diseñan generalmente en forma tal que tienen igual resistencia que la del metal de base, los diseños de junta soldada de ranura con costuras que se extienden completamente a través de los miembros que se están uniendo, son los que se usan más comúnmente. Uno de los principios del diseño es el de la selección de los tipos de junta que den por resultado el grado de penetración deseando en la junta.
2.15.9 Partes de las Juntas. Las partes o elementos de las juntas soldadas o a soldarse son relativamente numerosas, y a fin de poder interpretar y describir correctamente cualquier junta, es necesario identificar y ubicar cada una de sus partes. La figura indica algunos de estos elementos en una junta aún sin soldarse.
FIGURA 2.36 Partes de las juntas a tope Fuente: Armijo (2007)
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1. Abertura de la raíz 2. Cara de la raíz 3. Cara de la ranura 4. Ángulo del bisel 5. Ángulo de la ranura 6. Tamaño de la soldadura de ranura indicado en el símbolo de soldar 7. Espesor de la placa Así como una junta sin soldar tiene sus elementos, una junta soldada presenta elementos los cuales se describe en el gráfico siguiente:
FIGURA 2.37. Partes de las juntas soldadas Fuente: Armijo (2007)
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2.15.10 Soldadura de filete En general para las soldaduras de tipo filete el esfuerzo viene dado por la ecuación siguiente: Ec # 35 Donde: F: carga aplicada sobre la soldadura H: garganta o distancia del elemento que se fundió Longitud total de la soldadura Por su parte, (Shigley y Mischke, 2008) exponen un método conservador para el análisis de soldaduras de filete: “El método empleado para el análisis de soldadura es emplear un modelo
simple y conservador que fue verificado mediante ensayos. El método es el siguiente: Considerar que las cargas externas soportan fuerzas cortantes en el área d en la garganta de la soldadura. Al no tomar en cuenta el esfuerzo normal en la garganta, los esfuerzos cortantes se incrementan lo suficiente para que el modelo sea conservador. Utilizar la energía de distorsión para esfuerzos significativos.”
La ecuación utilizada en este método es la siguiente: Ec #36
Luego de obtener el valor de esfuerzo cortante se compara con los valores de esfuerzo cortante de los diferentes materiales de aporte para seleccionar el adecuado. A continuación se presenta en la tabla #2.10 las propiedades de los materiales de aporte
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Tabla 2.11. Propiedades mecánicas de los electrodos según AWS Fuente: (Shigley y Mischke, 2008)
Numero de electrodo AWS E60xx E70xx E80xx E90xx E100xx E120xx
Resistencia de tensión kpsi (Mpa) 62 (427) 70 (482) 80 (551) 90 (620) 100 (689) 120 (827)
Limite elástico kpsi (Mpa)
Elongación (%)
50 (345)
17-25
57 (393)
22
67 (462)
19
77 (531)
14-17
87 (600)
13-16
107 (737)
14
2.15.11 Calificación de Procedimiento y Personal de Soldadura. En términos generales, todos los trabajos de soldadura necesitan de uno o más procedimientos de soldadura que definan, con suficiente detalle, cómo deben realizarse las operaciones involucradas, y todas las normas sobre equipos, partes de equipos, tuberías y estructuras en cuya fabricación, construcción y montaje intervienen operaciones de soldadura, establecen requisitos relacionados con la preparación, calificación y certificación de los procedimientos de soldadura, así como de la calificación de la habilidad de los soldadores y operadores de equipo para soldar a emplearse en la realización de soldaduras de producción en los trabajos a realizar. La exigencia de tales requisitos se debe a que existen muchos factores que influyen en las características de las uniones soldadas. Entre estos factores pueden mencionarse, entre muchos otros, los diferentes procesos de soldadura con que puede realizarse una junta, los diversos materiales base (aceros al carbono, aceros
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inoxidables, aleaciones de níquel, magnesio, titanio, etc.), las variaciones de espesor del metal base y los diferentes diseños de junta. ASME sección IX, API 1104 y AWS D1. 1, entre otras normas, establecen los requisitos de calificación y/o certificación para el personal que realiza los exámenes y pruebas o inspecciones por parte del fabricante o contratista y por segundas o terceras partes. Entre estos esquemas destaca el Programa de Certificación de Inspectores de Soldadura de la Sociedad Americana de Soldadura.
2.16 Ensayos No Destructivos. Se denomina ensayo no destructivo (también llamado END, o en inglés NDT de nondestructive testing ) a cualquier tipo de prueba practicada a un material que no
altere de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales. Los ensayos no destructivos implican un daño imperceptible o nulo. Los diferentes métodos de ensayos no destructivos se basan en la aplicación de fenómenos físicos tales como ondas electromagnéticas, acústicas, elásticas, emisión de partículas subatómicas, capilaridad, absorción y cualquier tipo de prueba que no implique un daño considerable a la muestra examinada. Sin embargo, suelen ser más baratos para el propietario de la pieza a examinar, ya que no implican la destrucción de la misma. La amplia aplicación de los métodos de ensayos no destructivos en materiales se encuentra resumida en los tres grupos siguientes: Defectología. Permite la detección de discontinuidades, evaluación de la corrosión y deterioro por agentes ambientales; determinación de tensiones; detección de fugas. Caracterización. Evaluación de las características químicas, estructurales, mecánicas y tecnológicas de los materiales; propiedades físicas (elásticas, eléctricas y electromagnéticas); transferencias de calor y trazado de isotermas.
90
Metrología. Control de espesores; medidas de espesores por un solo lado, medidas de espesores de recubrimiento; niveles de llenado.
2.16.1 Métodos y técnicas Entre los ensayos no destructivos más comunes se encuentran: Ultrasonido Análisis de aceite y ferrografía Análisis de vibraciones y análisis de ruido Análisis metalográfico Corrientes inducidas Inspección por líquidos penetrantes Inspección por partículas magnéticas Inspección de soldaduras Inspección por ultrasonido Pérdida de flujo magnético Radiografía Termografía
2.16.1.1 Inspección por líquidos penetrantes El método de Inspección por Líquidos Penetrantes es uno de los sistemas de ensayo no destructivo de uso más generalizado para la detección de grietas superficiales en materiales base y en depósitos de soldadura. Los penetrantes son clasificados o subdivididos según el método usado para quitar el exceso del penetrante, tales como los lavables con agua y los de limpieza con solvente. Un buen penetrante debe penetrar aberturas muy finas, permanecer en aberturas relativamente gruesas, tener buena humectación y ser fácilmente removible de la superficie después de inspeccionar. Debe también ser inerte con respecto a los materiales que son probados, no ser tóxico, tener un alto punto de destello y ser relativamente económico. El método de Líquidos Penetrantes no es un método aceptable con los materiales altamente porosos. Puede ser usado tanto en
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materiales ferrosos como los aceros de baja aleación, aceros de alta resistencia, aceros inoxidables e inclusive en aluminios, aleaciones de cobre y otros materiales, cerámicas, vidrio, resinas sintéticas, etc. Los líquidos penetrantes se deben ver fácilmente con luz natural y en el caso de los líquidos fluorescentes se deben ver fácilmente con luz ultravioleta. Los líquidos penetrantes y por lo tanto las técnicas de inspección por Líquidos Penetrantes se dividen en dos categorías básicas: tipo A, Fluorescente; y tipo B, Líquido visible. Los métodos fluorescentes ofrecen una resolución excepcionalmente buena de indicaciones; el método de líquidos penetrantes visibles también es bastante confiable líquidos lavables con agua pueden ser preferibles para ciertas clases del trabajo en las cuales el objeto se pueda traer a un área de la inspección rutinaria, mientras que los métodos no lavables con agua se pueden realizar en la localización del objeto o donde no está disponible ni puede ser utilizada el agua. La inspección que usa Penetrantes Fluorescentes implica el uso de un líquido que despida fluorescencia bajo luz ultravioleta. Las lámparas que emiten tal radiación son necesarias en esta técnica y son suministradas como equipo estándar para estos sistemas de inspección.
El Líquido visibles se inspeccionan a simple vista.
Solamente hay que contar con una buena fuente de luz blanca. Tienen menos sensibilidad.
2.17 Especificaciones de limpieza y preparación de superficies
La eficacia de los sistemas de recubrimiento depende en gran parte de una adecuada preparación de la superficie o substrato. La superficie debe prepararse tomando en cuenta la agresividad del medio, el tipo/sistema de pintura que se va a utilizar y la rugosidad requerida por los productos seleccionados. El objetivo fundamental de la preparación de superficie es lograr que el substrato a recubrir se encuentre limpio, firme, seco y rugoso.
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Superficie o substrato limpio de elementos contaminantes tales como: grasas, aceites, HC, tierra, sales, etc., los cuales impidan la permanente adhesión del recubrimiento al substrato. Justo antes de la aplicación se debe verificar la limpieza de la superficie a proteger. Superficie firme con la eliminación de restos de pintura suelta y costras productos de la oxidación del metal. Superficie seca para evitar atrapar líquidos entre el revestimiento y el substrato pues los mismo actúan como agentes desmoldantes y pueden evaporarse/expandirse al ser calentados desprendiendo los recubrimientos. Superficie rugosa para conseguir el mejor anclaje y adhesión del revestimiento. Una superficie rugosa tiene más área de contacto con el revestimiento que una lisa.
2.17.1 Normas de Limpieza SSPC En nuestras especificaciones usaremos las normas internacionales que rigen las técnicas de limpieza y preparación superficial conocidas como SSPC (Steel Structure Painting Council), la cual se comprenderá el siguiente método de limpieza para nuestro caso de las vigas principales de la grúa puente. Limpieza a metal blanco (SSPC-SP-5) Especificación de preparación de superficie equivalente a la NACE N°1 Con esta especificación el substrato debe quedar libre de todo oxido, escamas, pintura vieja y material extraño dejando un color gris metálico uniforme y sin sombras. Es reconocido como el mejor método de acondicionamiento de superficie. La limpieza con chorro de abrasivos (arena, granalla, etc.) se utiliza cuando se requiere limpieza de grandes áreas y/o acondicionamiento optimo de las superficies, usamos abrasivos a presión.
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Con chorro abrasivo se elimina del substrato todo material extraño e imparte a la superficie la rugosidad necesaria para el anclaje óptimo de las pinturas. El abrasivo comúnmente usado es la arena, aun cuando también se utiliza la granalla de acero, escoria mineral, etc. La arena usada para la limpieza abrasiva debe ser: limpia, libre de sales, aceite, humedad, polvos. Una vez limpiada la superficie debe mantenerse libre de contaminación. Debe evitarse caminar sobre ella, tocarla con guantes sucios, humedecer/mijar, etc., además de liberarla del polvo que pueda provenir del medio ambiente o de la área adyacente. La limpieza con abrasivos cubre varias especificaciones de acuerdo al grado de limpieza que se desee obtener. El perfil ideal está entre 1 a 1.5 mils. Esta limpieza es la más costosa, pero es indispensable en recubrimientos especiales que requieren un contacto óptimo con el sustrato, tal como los recubrimientos de cinc inorgánico.
CAPÍTULO III MARCO METODOLOGICO
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CAPITULO III MARCO METODÓLOGICO 3.1 TIPO DE INVESTIGACION Toda investigación, atendiendo a sus características, se enmarca en un tipo o nivel determinado y se orienta por un diseño específico que se adecua a su naturaleza. Esta investigación corresponde a la modalidad de proyecto factible como lo explica UPEL (2001) en su texto: “El proyecto factible consiste en la investigación, elaboración y desarrollo de una
propuesta de un modelo operativo viable para solucionar problemas, requerimientos o necesidades de organizaciones o grupos sociales; puede referirse a la formulación de políticas, programas, tecnologías, métodos o procesos. El proyecto debe tener apoyo en una investigación documental, de campo o un diseño que incluya ambas modalidades”.
De acuerdo a lo explicado anteriormente este proyecto responde a este tipo de investigación ya que se diseñara un sistema de grúa puente para el transporte de materiales en la empresa lo cual satisface las necesidades del departamento de producción y transporte de materiales.
3.2 DISEÑO DE LA INVESTIGACION Considerando los objetivos planteados en la investigación, se hace necesario formular un procedimiento concreto para proporcionar y garantizar resultados válidos, confiables y coherentes. Por esta razón, el diseño de la investigación, tiene como finalidad proporcionar un modelo de unificación que permita contrastar hechos con teorías. Esta investigación posee un diseño de campo, ya que según Arias (2006): “La investigación de campo es aquella que consiste en la recolección de datos
directamente de los sujetos investigados, o de la realidad donde ocurren los hechos (datos primarios), sin manipular o controlar variable alguna, es decir, el investigador obtiene la información pero no altera las condiciones existentes.”
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El presente trabajo especial de grado corresponde también a un diseño documental, debido a que se basa en la búsqueda, análisis e interpretación de datos obtenidos por otros investigadores que pueden ser de fuentes impresas, audiovisuales y/o electrónicas.
3.3 NIVEL DE LA INVESTIGACION Contempla Arias (2006) en su texto que: “La investigación descriptiva consiste en la caracterización de un hecho,
fenómeno, individuo o grupo, con el fin de establecer su estructura o comportamiento. Los resultados de este tipo de investigación se ubican en un nivel intermedio en cuanto a la profundidad de los conocimientos se refiere.”
La investigación se dice que es de nivel descriptivo porque en esta se caracterizan los fenómenos y elementos que interactúan con el sistema a diseñar.
3.4 METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION A continuación se muestra en la tabla la metodología a utilizar para cumplir con los objetivos específicos de la investigación, de la misma manera, se muestras los resultados esperados en su elaboración. TABLA 3.1. Sistema Operacional de Variables FUENTE: Araujo, Núñez (2012)
Objetivos Específicos
Determinar los parámetros necesarios para el diseño, selección y construcción de cada uno de los componentes mecánicos de las vigas de carga y rieles por donde se
Metodología
Resultados Esperados
Para cumplir con este objetivo es necesario realizar una serie de inspecciones, mediciones y verificación de los componentes existentes en la empresa que conforman la estructura del galpón.
Obtener todos los parámetros a utilizar para el diseño del sistema de grúa puente tomando en cuenta los materiales a transportar y la
97
desplazara la grúa puente (actualmente inexistentes en las instalaciones del galpón).
estructura disponible.
Rediseñar las vigas de Tomando en cuenta las la grúa puente a fin de dimensiones del galpón se elabora un diagrama de corte acondicionarlas a las que se le entrega al personal dimensiones de la nave calificado para adecuar las vigas principales a la nave del del galpón industrial. galpón
Dimensionar las vigas principales de la grúa puente a la nave del galpón
Rediseñar los elementos mecánicos de soportes y columnas estructurales requeridas para la operación y funcionamiento de la grúa puente a instalar a fin de evaluar las condiciones de diseño de las estructuras actuales.
Rediseñar los elementos mecánicos de soporte y columna de manera que estos soporten la carga que será aplicada.
Realizar la simulación de cargas y esfuerzos del
sistema
puente,
grúa
mediante
programas de diseño, a fin
de
garantizar
la
buena operatividad del mismo.
Realizar un estudio de comparación entre el sistema de soporte existente y el nuevo soporte diseñado, teniendo de esta manera resultados de pro y contra de cada uno de ellos, a fin de conocer si la estructura actual tiene la capacidad de soportar las condiciones del sistema grúa puente a construir.
Utilizar un software de simulación para obtener una aproximación real sobre los efectos de las cargas en los elementos.
Verificar que los elementos soportan las carga, para mostrar los resultados de las simulaciones en este proyecto
98
Representar gráficamente
los
componentes
del
sistema
grúa
puente
para su construcción e instalación.
Elaborar planos de construcción de cada uno de los elementos diseñados.
Obtener los planos de construcción para la instalación del sistema de grúa puente.
CAPÍTULO IV REDISEÑO DEL SISTEMA GRÚA PUENTE
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CAPITULO IV REDISEÑO DEL SISTEMA GRÚA PUENTE
4.1 Parámetros de Diseño A.- Condiciones de diseño TABLA 4.1.Luz de los componentes del sistema Fuente: Elaboración propia
Luz de la grúa puente Luz de la viga carrilera
9m 7.57 m
Primeramente, para el diseño de la viga carrilera se deben conocer los valores de las fuerzas que actúan sobre ésta. Estas cargas dependen de las cargas actuantes en la grúa puente, por lo tanto es necesario, antes de realizar el diseño de la viga carrilera definir estas cargas.
4.1.1 Cargas de la Grúa Puente A.- Carga nominal (Cn) Es el valor de la carga fijado por el fabricante y se refiere a la capacidad de izamiento que tiene la grúa puente. En este caso la carga nominal del puente es de 25 Toneladas. Tomando en cuenta que en la empresa Taller Comercio, C.A se construyen recipientes a presión, intercambiadores de calor y otros equipos de uso industrial, se realizó una investigación para conocer el peso máximo de los materiales que deben ser transportados por la grúa puente, para la construcción de estos equipos. Esta investigación dió a conocer que el valor de carga máximo que transportará el puente en el galpón será de 15 Toneladas.
101
Es necesario mencionar que si bien la grúa puente tiene una capacidad de 25 Ton., sería innecesario diseñar las vigas carrileras para esta capacidad ya que en el galpón del taller comercio no se maneja este valor de carga. Esta decisión es una ventaja tanto para el diseño como para la empresa, ya que al disminuir la carga en la grúa, las dimensiones de la viga carrilera serán menores y el costo de esta por lo tanto disminuirá, generando una menor inversión en la instalación de esta. Al reducir la capacidad nominal de la grúa se aumenta la rentabilidad del proyecto y se tiene una optimización en el diseño. Debido a lo anteriormente explicado y gracias a las acotaciones de la gerencia de la empresa el diseño de la viga carrilera se llevara a cabo con una capacidad de operación de 15 TON. Tomando entonces 15 toneladas como carga de operación, y tomando como factor de diseño 1.3 por consideraciones de la empresa y consideraciones de diseño, en base a mantener la seguridad de la estructura en caso de sobrecarga, la carga nominal será Cn= 15000x1.3 Cn= 19.500 Kg ≈ 20 Ton= 196. 000 N
B.- Impacto Vertical Ci Esta carga es el resultado del impacto de las ruedas de los carros testeros sobre el carril superior de la viga carrilera. Por tanto este parámetro es de vital importancia para el diseño de la viga carrilera. Tomando en consideración los factores citados en la TABLA 2.8 para este caso, una grúa operada a control remoto se tiene la correlación existente entre el impacto vertical y la carga de operación:
Ci=10%Cn Ci= 0,1x196.000 N Ci= 19.600 N
102
C.- Peso del puente grúa sin carga Wv La estimación de este parámetro se realiza en primera instancia tomando en cuenta los datos suministrados por la empresa fabricante ANCHOR & CRANE del puente grúa birriel de 25 Toneladas de capacidad. Las vigas de carga son de un perfil W30x116 de Acero A-572 grado 50, a las cuales se le debe sumar el peso de los accesorios como motor, ejes, pernos, rieles y topes.
Peso total de la grúa puente sin carga: 8968 Kg
D.- Carga vertical de diseño para la viga carrilera Cvs Se define este parámetro como la sumatoria de las cargas verticales que actúan directamente sobre el puente grúa. Estas cargas son:
La carga de operación del puente grúa Cn
La carga del peso propio del puente grúa Wpg
El impacto vertical Ci
El peso del polipasto
Para encontrar los valores máximos en las reacciones de las ruedas se debe hacer un análisis para dos estados de cargas, el primero cuando el polipasto se encuentra en el centro de la estructura, y el segundo cuando el polipasto se encuentra los más cerca posible del carro testero, este caso se da cuando el polipasto se encuentra a 1 m del carro testero
103
Figura 4.1 Dibujo esquemático de la grúa puente Fuente: Elaboración propia TABLA 4.1A.Componentes de la grúa puente Fuente: Elaboración propia
Componente Cantidad Polipasto 1 Viga Principal+accesorios 2 Carros Testeros 2 Parte Eléctrica/acoplados 1 TOTAL
Peso Unitario (Kg) 2268
Peso Total (Kg) 2268
2200 950
4400 1900
400
400 8968
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4.1.2 Dimensiones de los componentes de la grúa puente
Viga Principal
(Medidas en metros)
Figura 4.2 Vista frontal Viga Principal Fuente: Elaboración propia
Con estos datos obtenidos, y tomando en cuenta que el peso del puente grúa se toma como una carga distribuida, con una luz de 9m, tenemos que: Wv=
2396 N/m
Carro Testero
(Medidas en metros)
Figura 4.3 Vista lateral del carro testero Fuente: Elaboración propia
105
La longitud de los carros testeros es de 3.53 m por lo tanto Wt=
2640.08 N/m.
4.1.3 Estados de carga crítica para la viga carrilera Para el análisis de los estados críticos de carga para la viga carrilera existen 2 casos de estudio. A.- Caso 1 Polipasto situado en el centro de las vigas principales B.- Caso 2 Polipasto situado en posición extrema (a 1 m del carro testero)
A.- Caso 1 Polipasto situado en el centro de las vigas principales Tomando las vigas principales y los conjuntos que componen la grúa puente como elemento de cuerpo libre:
Figura 4.4 Diagrama de cuerpo libre de la grúa puente Fuente: Elaboración propia
106
Donde:
W t= Peso del carro testero = 2640.08 N/m
W v=Peso de la viga del puente grúa = 2396 N/m
Pp= Peso del polipasto
Cn= Carga nominal
Ci= Carga de impacto
Rr1, Rr2= Reacción de las ruedas del carro testero sobre la viga carrilera en el testero 1
Rr3,Rr4= Reacción de las ruedas del carro testero sobre la viga carrilera en el testero 2
De acuerdo con las ecuaciones para elementos en equilibrio estático tenemos
Sumatoria de fuerzas
+ ΣFy=0 ΣFy=Rr1+Rr2+Rr3+Rr4 = (2xWvigax9m)+Cn+Pp+(2x3.53xWtestero)+Ci
Ec #1
Considerando que las reacciones Rr1=Rr2 y Rr3=Rr4, por condiciones de diseño del fabricante (ver anexo).
Figura 4.5 Diagrama de cuerpo libre con cargas equivalentes de las ruedas Fuente: Elaboración propia
107
La ecuación 1 queda expresada de la siguiente manera 2R r1+2 R r4=
(2x9xWviga)+ Cn + Pp + Ci+(2x3.53xWtestero) Ec # 2
(Medidas en metros)
Figura 4.6 Vista frontal de la grúa puente. Fuente: Elaboración propia
Debido a que en este caso todo los componentes se encuentran de manera simétrica con respecto del centro de gravedad de la estructura tenemos que r1=R r4,
de acuerdo a esto
= Rr3=Rr4=74898.3412 N
R r1=R r2
R
108
B.- Caso 2 Polipasto situado en posición extrema (a 1m del carro testero) Realizando un diagrama de cuerpo libre del todo el sistema grúa puente, y considerando las fuerzas resultantes de las ruedas, tenemos:
Figura 4.7 Diagrama de cuerpo libre de la grúa puente Fuente: Elaboración propia
De acuerdo con las ecuaciones para elementos en equilibrio estático tenemos:
Sumatoria de fuerzas
+ ΣFy=0 ΣFy=2Rr1+2Rr4-Wtotal=0
Donde:
Wtotal=2Wv+2Wt+Pp+Cn+Ci=43128+18638,96+22226.4+196000+19600
Wtotal=288499,16 N
109
Sustituyendo: 2Rr1+2Rr4 = 299.631.36 N
Ec. #3
Sumatoria de momentos
(Medidas en metros)
Figura 4.8 Vista frontal de la grúa puente Fuente: Elaboración propia
Sumatoria de momentos en el punto “B” + ΣMb=0 ΣMb=1(3.53Wt) – 8(3.53Wt) - 1(2Rr1) - 3.5(2x9xWv) + 8(2R r4) = 0
Despejando y sustituyendo los valores conocidos: 2Rr1+ 3.53(2x9x2396) + 7(3.5x2640.08) = 16Rr4
110
Dividiendo toda la ecuación entre 2, tenemos: 8Rr4- Rr1 = 107814,98 N.m
Ec # 4
Resolviendo el siguiente sistema de ecuaciones 2Rr1+2Rr4 = 299.631,36 N
Ec. #3
8Rr4- Rr1 = 107814,98 N.m
Ec # 4
Rr1= Rr2=121.190,05 N=12.366,33 Kg Rr3= Rr4= 28.625,63 N= 2.920,98 Kg Analizando los casos 1 y 2 tenemos que las condiciones críticas para el diseño de la viga carrilera se dan cuando el polipasto está situado en posición extrema, es decir, a 1 metro del carro testero, dando como resultado
Rr1= Rr2=121.190,05 N = 12.366,33 Kg
4.2 Diseño de la viga carrilera La viga carrilera es la estructura de perfil laminado, que cumple con la función de soportar y permitir la traslación del conjunto Viga Puente-Viga Testera. La traslación se lleva a cabo, debido a la existencia de un carril apropiado. Esta viga se apoya rígidamente en las columnas de la grúa puente. La técnica de cálculo consiste, básicamente en determinar las fuerzas que actúan entre dos apoyos, es decir las dos columnas. Posteriormente se seleccionas los posibles perfiles, se verifican los parámetros establecidos por la norma AISC y todos los esfuerzos para luego obtener el factor de seguridad de los perfiles, para escoger la más adecuada.
111
La viga carrilera se diseñará en base a una separación entre columnas de 7.570 metros y bajo las condiciones más desfavorables para la viga, tomando como parámetro de diseño el momento máximo.
4.2.1 Material a utilizar La AISC sugiere la utilización de un perfil laminado doble T de acero para el diseño y construcción de las vigas carrileras. Una de las empresas con la cual empresa Taller Comercio mantiene relaciones comerciales para la compra de vigas a nivel nacional es MAPLOCA, esta ofrece una alta gama de productos nacionales e importados el cual distribuye continuamente a la empresa Taller Comercio. MAPLOCA posee un catalogo de venta donde se especifican las dimensiones y propiedades mecánicas de los diferentes tipos de vigas. En base a las tabulaciones de MAPLOCA, se utilizará un acero AST M A-242 el cual posee las siguientes características:
Acero ASTM A-242 Sy=50 Ksi= 345 Mpa E= 207 GPa G= 79 GPa γ=77028 N/m3
4.2.2 Procedimientos de diseño
Se evaluará el índice de trabajo especificado en la norma AISC
El índice de trabajo debe ser menor a 1
Se evaluarán los esfuerzos en base a la energía de deformación o Von Mises
Se obtendrá el valor del factor de seguridad
El valor del factor de seguridad para la estructura debe tener un valor mínimo de 2, según Shigley (2002)
112
Para el diseño de la viga carrilera existen 2 casos para el análisis. Como se desconoce el tipo de viga a utilizar, se desconoce por lo tanto el peso de esta. El análisis para determinar el estado de carga mas critico se hará sin tomar en cuenta dicho peso, solo para determinar el momento máximo de ambos casos, luego de seleccionadas las vigas se hará el análisis con el peso respectivo de cada viga
A. Estado de Carga I: Carro testero ubicado en posición extrema (sobre el soporte)
Figura 4.9 Estado de cargas de la viga carrilera Fuente: Elaboración propia
Rr1=Rr2= 121.190,05N
Análisis Estático
Sumatoria de Fuerzas
+ ∑ Fy=0 ∑ Fy=Rs1+Rs2-Rr1-Rr2=0
Se realiza el análisis para verificar el Mmax que actúa en la viga carrilera, ya que el diseño se basa en el diseño a flexión.
113
Sumatoria de Momentos
+ ∑Ma=0 ∑Ma= 7.570Rs2 – 3.05Rr2 = 0
Rs2= 48.828,23 N Sustituyendo en ecuación
Rs1= 193.551,87 N
Diagrama de fuerza cortante y Momento Flector Fuerzas Cortantes en la viga
V@0m=72 361.83 N
[email protected] = 121 190.06 N
[email protected] = 48 823.23 N
Momentos Flectores en la viga M1= 72 361.83 N x 3.05 m= 220 703.58 N.m M2= 48 828.23 N x 4.52 m= 220 703.58 N.m Mmax= 220 703.58 N.m
114
Figura 4.10 Diagrama de fuerza cortante y momento flector Fuente: Elaboración propia
Del análisis anterior se tiene que:
Mmax= -220.703,6 N.m Y ocurre en el centro de la viga, es decir a 3.785 m.
[email protected]= 72.361,83 N
115
B. Estado de Carga II: Carro testero ubicado en el centro de la viga carrilera
Figura 4.11 Estado de carga de la viga carrilera Fuente: Elaboración propia
Rr1=Rr2= 121.190,05 N
+
Análisis Estático
Sumatoria de fuerzas
∑ Fy=0 ∑ Fy=Rs1+Rs2-Rr1-Rr2=0
Se realiza el análisis para verificar el Mmax que actúa en la viga carrilera, ya que el diseño se basa en el diseño a flexión.
Sumatoria de momentos
+ ∑Ma=0 ∑Ma= 7.570Rs2 – 2.26 Rr1 – 5.31 Rr2 = 0
Rs2= 121.190,05 N Rs1= 121.190,05 N
116
Diagrama de fuerza cortante y Momento Flector Fuerzas Cortantes en la viga
V@0m= 121 190.05 N
[email protected] = 121 190.05 N
Momentos Flectores en la viga M1= 121 190.05 N x 2.26 m= 273 889.513 N.m M2= 121 190.05 N x 2.26 m= 273 889.513 N.m Mmax= 273 889.513 N.m
Figura 4.12 Diagrama de fuerza cortante y momento flector de la viga carrilera Fuente: Elaboración propia
117
Del análisis anterior se tiene que:
Mmax=-273.889,5 N.m Vmax= 121.190,05 N
Se puede apreciar que el momento máximo se da en el estado de carga II, por lo tanto el análisis para el diseño de la viga carrilera se tomara con dicho estado de carga. Tomando el estado de cargas II analizado en el punto anterior y tomando como referencia la norma AISC tenemos que:
Fb= 0.66 Sy Donde Fb: Esfuerzo máximo permisible (MPa) Sy: Esfuerzo de fluencia (Mpa) Mmax: Momento máximos en la viga (N.m) Smin: Modulo de sección elástico mínimo de la sección transversal (m 3)
Entonces: Fb= 0.66.Sy Fb= 0.66 x 345Mpa Fb= 227.7 Mpa
118
Smin ≥ 1,20 x
-3
3
3
10 m t s = 1.203 cm
Otro parámetro muy importante para el diseño de vigas carrileras es la deflexión, ya que según la norma AISC, la deflexión máxima permisibles es Donde: L: Longitud de la viga Tenemos que:
Entonces, como no se conoce el perfil de la viga carrilera y por tanto el peso, se realiza el análisis de deflexión de acuerdo al método de superposición, según Shigley (2002).
Estado de Carga II: Carro testero ubicado en el centro de la viga carrilera
Figura 4.13 Deflexión en la viga carrilera Fuente: Elaboración propia
119
En este caso tenemos:
Figura 4.14 Dimensiones y cargas de la viga carrilera Fuente: Elaboración propia
Donde
P = 121.190,05 N a = 2.26 mts
Despejando la Inercia y teniendo en cuenta que se desprecio el peso de la viga para este análisis se debe tener en consideración que la inercia de la sección transversal debe ser mayor a la encontrada mediante este procedimiento.
I ≥ 8,35x10-4mts4 = 83.514,41 cm4 En base a los parámetros obtenidos: Smin= 1.203 cm3 e Imin = 83.514,41 cm4 Se eligen 3 perfiles del catalogo de la empresa “MAPLOCA”, los cuales tienen las siguientes características.
120
Dimensiones y propiedades de la sección para el diseño
Figura 4.15 Notación de las medidas de la sección transversal de los perfiles Fuente: Elaboración propia
Tabla 4.2 Dimensiones de las secciones transversales de los perfiles Fuente: Elaboración propia
Designación Peso
Área Dimensiones Altura D
Propiedades
Alas bf tf
Wd x Peso
Peso
A
plg x lb/pie W24x94
N/m
cm2
1393
180
617
230
22.2
W21X93
1372.93
178
549
214
W12X210
3069.5
399
374
325
Alma tw
Eje X-X Ix Sx rx
Iy
Eje Y-Y Sy ry
cm4
cm3
cm
cm4
cm3
13.1
114000
3680
25.1
4530
394
5.01
23.6
14.7
87000
3170
22.1
3870
362
4.66
48.3
30
89400
4780
15
27600
1700
8.32
Mm
cm
Una vez seleccionados los perfiles se procede a calcular las reacciones de los soportes con el debido peso de cada viga
4.2.3 Análisis estático de la viga carrilera Usando como referencia el perfil W24x94, y tomando en cuenta el peso propio de la viga se obtiene el siguiente estado de fuerza.
121
Figura 4.16 Estado de fuerzas de la viga carrilera Fuente: Elaboración propia
Rr1=Rr2=121.190,05 N Wv= 1393 N/m
Sumatoria de momentos (en el punto B)
+ ∑ Mb=0 ∑ Mb=(3.785Rs2) - (3.785Rs1) – (1.525Rr2) + (1.525Rr1) = 0
De la ecuación anterior tenemos que:
Rs1=Rs2
+
Sumatoria de fuerzas
∑ Fy=0 ∑ Fy= Rs1+Rs2 - Rr1 - Rr2 - 7.570 W V
Del análisis anterior se tiene que:
Rs1=Rs2
Rs1= Rs2=126.462,55 N
122
Diagrama de Fuerza cortante y momento flector Fuerzas Cortantes en la viga
V@0m= 126 462.6 N
[email protected] = 2124.32.05 N
Momentos Flectores en la viga M1= M2= 690.6 + 1619.83 = 283 867.67 N.m Mmax= 283 867.67 N.m
= 3557.24 + 278
123
Figura 4.17 Diagrama de fuerza cortante y momento flector en la viga carrilera Fuente: Elaboración propia
El momento máximo se tiene en el centro de la viga carrilera es decir a 3.785 mts y tiene un valor de
Mmax=283867.67 N.m El máximo valor de la fuerza cortante se encuentra en e l extremo y tiene un valor de
Vmax=126462.6 La fuerza cortante en el centro de la viga es igual a cero
124
Resolviendo el estado de fuerzas para todos los perfiles obtenemos los siguientes resultados Tabla 4.3 Valores de las fuerzas actuantes en los diferentes perfiles Fuente: Elaboración propia
Peso
Rs1=Rs2
Vmax
[email protected]
[email protected]
N/m 1393 1372.93 3069.5
N 126462.6 126259.76 132681.27
N 126462.6 126259.76 132681.27
N.m 283867.67 283437.3 295590
N 0 0 0
Perfil W24x94 W21x93 W12x210
Para el diseño de la viga carrilera se debe tomar en cuenta que todos los perfiles laminados en caliente son de sección compacta según la AISC. Para el análisis de las vigas mediante la norma AISC, se debe trabajar con unidades en el sistema ingles, debido a que todas las ecuaciones de esta norma están dadas para este sistema, entonces para que la solución de las ecuaciones este dimensionalmente correcta se trabajara con el sistema ingles, por lo tanto tenemos
Tabla 4.4 Dimensiones de los perfiles en unidades inglesas Fuente: Elaboración propia
Perfil
A
d
tw
bf
tf
d/af
Rt
Sx
Lc
Lu
in2
in
in
In
in
in -1
In
In3
ft
ft
222
9.6
W24x94
27.7 21.62 24.29 9.065 0.875 3.06 2.33
W21x93
27.3 14.71
1.18
8.420
0.93
W12x210 61.8 0.580 0.516 12.79
1.9
L/rt
15.1 124.48
2.17 193.44 8.9 16.8 137.36 0.61 3.53 291.7 13.5 75.9 84.43
2.76
4.3 Apoyo Lateral La norma AISC establece que para el diseño de las vigas se debe tomar en cuenta la distancia entre apoyos laterales, este análisis se logra comparando las longitudes ultimas y criticas de las vigas con la longitud real de la viga, esto debido a que el
125
esfuerzo permisible utilizado para el diseño cambia de acuerdo a la relación de estas distancias, por lo tanto
Comparando los valores de la longitud ultima con la longitud de la viga L=7.570 m = 24.84 ft Las longitudes Lc y Lu están tabuladas en el manual de la AISC Tabla 4.5 Valores de longitud critica y ultima de los perfiles Fuente: Elaboración propia
Perfil W24x94 W21x93 W12x210
L (ft) 24.84 24.84 24.84
Lc (ft) 9.60 8.9 13.5
Lu (ft) 15.1 16.8 75.9
L/rt 124.48 137.36 84.44
Observamos que: Para los perfiles W24x94 y W21x93, L Lu Para el perfil W12x210 Lc
4.4 Calculo del esfuerzo permisible Para el segundo caso, donde Lc
En la tabla anterior, se encuentra el valor de λ f para todos los casos.
126
Se determina el factor de gradiente de momentos (Cb) Cb= 1.75 + 1.05 (M1/M2) + 0.3 (M1/M2 )2 ≤ 2.3.
Donde:
M1 es el menor y M2 el mayor de los momentos de flexión en los extremos de la
longitud no arriostrada (no reforzada), tomada con respecto al eje de mayor resistencia del miembro. Cuando el momento de flexión en cualquier punto dentro de la longitud de la viga es mayor que en ambos extremos de esta longitud, el valor de Cb se tomará igual a la unidad. El valor de Cb=1 es un valor muy conservador para el diseño de vigas a flexión por lo tanto, las especificaciones de la norma AISC sección F1, establece que para miembros con simetría doble cuando unos de los momentos extremos es igual a cero, el valor de Cb es igual a:
Cb=1,67
El valor del esfuerzo admisible se rige según los valores de los límites inferior y superior del factor de esbeltez, siguiendo las siguientes condiciones: λf ≤Li Li<λf
Siendo:
Ls
127
Donde: Sy=50 Ksi Cb=1.67
Entonces:
Li=58,36 Ls=130,51 Con respecto a los 2 perfiles considerados para este estudio, se tiene que para el perfil W24x94; λf < Ls y para el perfil W21x93; λf > Ls Por tanto, de acuerdo a lo explicado en la sección 2.11 del capítulo 2, se debe aplicar el caso 3.1 y el caso 3.3 respectivamente para determinar el esfuerzo permisible a flexión en el diseño de vigas simples.
Perfil W24x94
Fb=16.14 Ksi
128
Perfil W21x93 Fb=
Fb= 15.04 Ksi
Los esfuerzos permisibles serán: Tabla 4.6 Valores de esfuerzos permisibles para los perfiles seleccionados Fuente: Elaboración propia
Perfil W24x94 W21x93 W12x210
Fb (Ksi) 16.14 15.04 21.6
4.5 Calculo del esfuerzo real Con cada modulo de sección y el momento flector máximo, los esfuerzos r eales son: Tabla 4.7 Esfuerzo real de los perfiles Fuente: Elaboración propia
W24x94
W21x93
W12x210
11.17
13
9
4.6 Determinar los índices de trabajo Finalmente, se determinan los índices de trabajo correspondientes
129
Tabla 4.8 Índice de trabajo para los perfiles seleccionados Fuente: Elaboración propia
W24x94
W21x93
W12x210
0.70
0.86
0.41
PASA
PASA
PASA
I=1 Indice Optimo I<< 1 Existe un sobredimensionamiento I>1 El element falla.
Por lo tanto
Todos los perfiles seleccionados cumplen con el del índice de trabajo
4.7 Análisis a corte para los perfiles seleccionados
Esfuerzo admisible Fv=0.35.Sy Esfuerzo real
El índice de trabajo es
Tabla 4.8A Índice de trabajo por cortante para los perfiles Fuente: Elaboración propia
Perfil W24x94 W21x93 W12x210
Vmax (Lbs) 28401.4 25250.42 26694.18
d (in) 24.29 21.62 14.71
Tw (in) 0.516 0.580 1.18
Fv (Ksi) 12.6 12.6 12.6
Fv (Ksi) 2.266 2.013 1.537
Iv 0.18 0.16 0.12
Los perfiles seleccionados cumplen con el índice de trabajo para el corte
130
Ahora se realizara el estudio considerando los esfuerzos normales y cortantes críticos en la sección transversal de acuerdo a la teoría de la energía de distorsión o Von Mises.
4.8 Esfuerzo cortante en el alma Según las normas de la CMAA el esfuerzo cortante admisible es: = 0.35.Sy
=87.5 Mpa Para el perfil W24x94, se tiene:
Distribución del esfuerzo cortante en la sección transversal
Figura 4.18 Distribución de esfuerzos en la sección transversal Fuente: Elaboración propia
Se selecciona como área de estudio la sección sombreada. Se toma esta sección debido a que el esfuerzo cortante máximo se encuentra en el alma del perfil, mientras que el esfuerzo cortante en las aletas es casi nulo. Como:
131
Donde: = Esfuerzo cortante promedio en el alma de la viga (Pa) V= Fuerza Cortante (N) Q= Primer Momento del area seleccionada con respecto al eje neutro de la sección transversal (m3) As= Área de la sección seleccionada (m2) Y=Distancia entre el centroide de la sección seleccionada y el ce ntroide de la sección transversal (m) I= Momento centroidal de inercia de la sección transversal ( m4) t= Espesor de corte que se toma para el area seleccionada (m)
Cálculo del primer momento de área (Q)
Primeramente se calcula el Y de la sección seleccionada.
(medidas en mm)
Figura 4.18A Medidas del área seleccionada Fuente: Elaboración propia
Tabla 4.9 Valores para calcular la ubicación del eje neutro del área seleccionada Fuente: Elaboración propia
Fig. 1 2 Σ
Entonces
A cm2 51.06 37.505 88.565
cm 28.63 14.315 X
A.Y cm 3 1461.8478 536.88 1998.73
132
Luego al obtener el valor de Y se procede a calcular Q Sustituyendo Q= 88.565 cm2 * 22.57 cm
Q = 1998.91 cm3
Calculo del esfuerzo cortante
Sustituyendo y resolviendo para cada una de las vigas: Tabla 4.10 Valores de esfuerzo cortantes en el alma para los perfiles seleccionados Fuente: Elaboración propia
Perfil W24x94 W21x93 W12X210
Vmax (N) 126335.72 126259.76 132681.27
I cm 4 114000 87000 89400
Se observa que como alma.
t (cm) 1.31 1.47 3
Q (cm 3) 1998.91 1789.43 2844.9
16.90 17.66 14.07
ninguno de los perfiles fallara por corte en el
4.9 Esfuerzo Normal Máximo De acuerdo con el análisis de momento flector realizado se obtuvo que el valor máximo se encuentra en el centro de la viga. Se realiza el estudio de la sección transversal correspondiente, tomando en cuenta que sobre la viga carrilera se ubicará el riel que será el encargado de permitir la
133
traslación de la grúa, esto trae como consecuencia que el eje neutro de la sección se desplace debido a la adición del riel.
Calculo del eje neutro del conjunto Viga Carrilera-Carril
La figura 4.19 muestra la sección del conjunto viga carrilera-riel.
Figura 4.19 Montaje viga carrilera-carril Fuente: Elaboración propia
4.9.1 Selección del riel para el puente grúa Tomando como referencia la norma CMAA # 70 y tomando en cuenta las características de las ruedas del carro testero, tenemos que: ФRueda = 36.5 cm = 14.37 pulg
Ancho = 17 cm = 6.69 pulg Dureza de la rueda 260 BHN Rr1 = 121190.05 N = 27244,60 lbs Comparando estos valores con los valores de la tabla del anex o 18 y con los datos mencionados anteriormente se elige un riel ASCE 60. Según la norma DIN tenemos que:
134
D: Diámetro de la rueda (mm) W: Carga en la rueda (ton fuerza) H: Ancho de la cabeza del riel
Entonces:
Observando las dimensiones del riel en la tabla 4.11 se observa que H =10.795 cm = 107.95 mm, entonces:
Por lo tanto el riel ASCE #60 cumple con los requisitos de la norma DIN
Dimensiones del riel ASCE #60
RAIL
ASCE 60
ASCE 80
Area
38, 26 cm2 5.93 in.2
50, 71 cm 2 7.86 in. 2
Kg/m lbs/yd
30, 03 kg/m 60.5 lbs/yd
39, 80 kg/m 80.2 lbs/yd
Mom. Inertia
606 cm 4 14.56 in. 4
1098 cm4 26.38 in. 4
Sec. Mod. Head
108 cm3 6.62 in. 3
165 cm3 10.07 in. 3
Figura 4.20. Dimensiones del riel Fuente: Crail rail supply Tabla 4.11. Dimensiones del riel Fuente: Central rail supply Nominal DIMENSIONS IN INCHES
Type
SECTION DESIGNATION
eight of Rail
HT
BW
HW
W
HD
FD
BD
E
40 lb.
ASCE
3 1/2
3 1/2
1 7/8
25/64
1 1/64
1 55/64
5/8
1 9/16
-
-
-
45 lb.
ASCE
3 11/16
3 11/16
2
27/64
1 1/16
1 31/32
21/32
1 41/64
-
-
-
Per Yard
135 50 lb.
ASCE
3 7/8
3 7/8
2 1/8
7/16
1 1/8
2 1/16
11/16
1 23/32
-
-
-
55 lb.
ASCE
4 1/16
4 1/16
2¼
15/32
1 11/64
2 11/64
23/32
1 103/128
-
-
-
60 lb.
ASCE
4 1/4
4 1/4
2 3/8
31/64
1 7/32
2 17/64
49/64
1 115/128
6040 60AS
603
65 lb.
ASCE
4 7/16
4 7/16
2 13/32
½
1 9/32
2 3/8
25/32
1 31/32
6540 65AS
653
70 lb.
ASCE
4 5/8
4 5/8
2 7/16
33/64
1 11/32
2 15/32
13/16
2 3/64
7040 70AS
701
75 lb.
ASCE
4 13/16
4 13/16
2 15/32
17/32
1 27/64
2 35/64
27/32
2 15/128
7540 75AS
753
80 lb.
ASCE
5
5
2½
35/64
1 1/2
2 5/8
7/8
2 3/16
8040 85AS
851
Ubicación del eje neutro
Figura 4.21. Ubicación del eje neutro en el conjunto viga carrilera-carril Fuente: Elaboración propia
De la figura 1 (Ver Anexo) se obtiene que la distancia del eje neutro para el riel desde su base es de 5.207 cm Tabla 4.12 Valores para calcular la ubicación del eje neutro del conjunto Fuente: Elaboración propia
Figura Riel Viga Σ
Área (cm2) 38.26 180 218.26
(cm) 66.907 30.85 Ȳ
A.Y (cm 3) 2559.86 5553 8112.86
136
Como b > a entonces el máximo esfuerzo normal en la sección transversal de la viga carrilera es en el punto b Se sigue el procedimiento anterior para todos los perfiles Tabla 4.13 Ubicación del eje neutro para cada perfil seleccionado Fuente: Elaboración propia
rea (cm2) 180 178 399
Perfil W24x94 W21x93 W12x210
(cm) 37.17 33.232 20.79
Calculo del esfuerzo Normal en el alma
IX= IVIGA + IRIEL
Tabla 4.14 Valores de esfuerzo normal en el alma para cada perfil seleccionado Fuente: Elaboración propia
Perfil W24x94 W21x93 W12X210
M max (N.m) 283581.1 283437.3 295590
C (cm) 37.17 33.23 20.79
De acuerdo a la CMAA y a las AISC el adm=
Ix (cm4) 114606 87606 90006
b (Mpa)
91,97 107,5 68,27
adm será:
0.60 Sy = 0.60x345 Mpa adm=
207 Mpa
Como se puede observar en la tabla ningún perfil fallara por esfuerzo normal.
4.10 Calculo del Factor de Seguridad Para el cálculo del
factor de seguridad se utiliza el método de energía de
deformación o Von Misses (Shigley), el cual nos dice que:
137
Donde:
Sy = Esfuerzo de fluencia
’= Esfuerzo de Von Misses
Según el análisis realizado en la sección 4.2.3 el Mmax ocurre en el centro de la viga, sustituyendo y resolviendo para cada viga, tenemos: Tabla 4.15. Valores de esfuerzo normal y cortante para los perfiles Fuente: Elaboración propia
Perfil
[email protected] (N)
M
[email protected] (N.m)
(MPa)
(MPa)
(MPa)
W24x94 W21x93 W12X210
0 0 0
283581.1 295590 100,15
91,97 107,5 68,27
0 0 0
0 0 0
x
y
Como no existen momento flector en el eje Y Entonces
y=
0
De la figura 4.17, se observa que la fuerza cortante en el punto medio de la viga es cero, por lo tanto Entonces nos queda la siguiente ecuación:
138
Tabla 4.16 Factor de seguridad para los perfiles seleccionados Fuente: Elaboración propia
Perfil
Factor de Seguridad ( )
W24x94
3.75
W21x93
3.2
W12X210
5.05
4.11 Calculo de deflexión de la viga carrilera Para todas las estructuras a diseñar de acuerdo con las normas de la AISC, debe documentarse en el diseño, la deflexión máxima para elementos que trabajan a flexión. Los criterios de deflexión deben considerar el AISC-Manual of Steel Construction, y se encuentran en la siguiente tabla: TABLA 4.17. Valores de deflexión máxima permitidas por la AISC Fuente: AISC 2005
Nota: Deflexión del Riel = Deflexión de la viga, debido que el riel tiene menor inercia que la viga carrilera, por lo tanto menos resistencia a la flexión y al estar rígidamente conectado a ella el desplazamiento vertical del riel será el de la viga carrilera. Entonces para el cálculo de deflexión se debe incluir el peso del riel es cual según la figura 4.20, el peso del riel
139
Wriel= 294 N/m IRIELASCE60= 606 cm4
En este caso para el cálculo de la deflexión máxima de la viga carrilera tenemos que: δmax
En esta sección se verificara esta condición de diseño por el método de superposición de acuerdo a las especificaciones explicadas en el libro de diseño de ingeniería mecánica de SHIGLEY
Figura 4.22. Deflexión en la viga carrilera Fuente: Elaboración propia
δmax= δcarga puntual + δcarga distribuida=1.009 cm
De la Tabla A-9 del libro de SHIGLEY (2008) se obtienen las formulas para cada caso
Donde: w=Wv=peso de la viga carrilera (N/m)
140
L=Longitud de la viga carrilera (m) a=Distancia del punto de aplicación de la carga con resp ecto a los bordes de la viga (m) P=Carga en las ruedas (N) E=Modulo de elasticidad del material (Pa) I=Inercia de la sección transversal (m 4) Tabla 4.18 Parámetros para calcular la deflexión de los perfiles Fuente: Elaboración propia
Perfil
Wv (N/m)
L (m)
a (m)
W24x94 W21x93 W12X210
1687,59 1667,52 3364,09
7.570 7.570 7.570
2.26 2.26 2.26
P (N)
E (Pa)
121190.05 207x10 121190.05 207x10 121190.05 207x10
I (m ) 0.00114606 0.00087606 0.000894606
0,007583 m=0,75 cm Los valores de deflexión para todos los perfiles serán: Tabla 4.19 Valores de deflexión para los perfiles seleccionados Fuente: Elaboración propia
Perfil W24x94 W21x93 W12X210
Deflexión (cm) 0,7584 0,992 1,004
Se puede observar que solo para las vigas W24x94 y W21x93, δ<δ max por lo tanto
solo estas vigas son aptas para su uso como vigas carrileras con una Luz=7.570 m El resto de los perfiles se descartan para el uso como viga carrilera con Luz=7.570m y una capacidad nominal del puente grúa de 20 TON.
4.12 Costos de la viga carrilera
141
La empresa Taller Comercio, C.A gracias a su larga experiencia como comprador de este tipo de perfil de vigas para distintos proyectos de estructuras, mantiene relaciones comerciales con empresas internacionales para la distribución de este tipo de vigas, dando a conocer que el valor comercial de este tipo de perfiles corresponden a un valor de aproximadamente 1,74USD$/Kg De acuerdo a esto, y teniendo en cuenta que son 32 vigas carrileras X 7.570 mts= 243mts tenemos que los costos de las vigas son: Tabla 4.20 Costo en USD de las vigas seleccionadas Fuente: Elaboración propia
Perfil W24x94 W21x93
Peso total (Kg) 34398.08 41340.5
Costo en USD$ 59852.66 71932.47
4.13 Selección de la Viga Carrilera El papel que cumple un ingeniero en un proyecto industrial es el de analizar, calcular y diseñar los elementos estructurales y/o piezas mecánicas bajo las condiciones de trabajo a la que serán expuestas, sin embargo el objetivo del ingeniero no debe alejarse de la realidad de una empresa, y esta realidad es el costo-beneficio que se obtendrá del proyecto, teniendo como consideración que se generen los costos más bajos posibles y que la estructura a diseñar cumpla con todos los requisitos de diseño. En este caso el beneficio no se refleja en un beneficio económico directo sino más bien se refleja en un beneficio productivo que directamente afecta al económico, al reducir el tiempo de transporte de los equipos en la empresa, y con esto aumentar la productividad de la empresa. De los perfiles seleccionados para el análisis se puede concluir de acuerdo a las condiciones de diseño que se tiene para la operación del puente grúa que el perfil W24x94 cumple con los requerimientos necesarios para funcionar como viga carrilera. Esta decisión es tomada de acuerdo en base a que éste, es el perfil con el menor costo, y el cual posee un factor de seguridad de 3.75 cumpliendo con los requisitos de diseño según Shigley (2008).
142
Si bien ésta referencia dicta que el F.S para materiales dúctiles debe estar entre 2 y 3, siendo el acero un material dúctil, se debe tomar en cuenta que el sistema estará operado por el personal de la empresa y por lo tanto se debe le dar suma importancia en preservar la integridad física de todo este personal, por lo tanto por medida de seguridad el valor del factor de seguridad se elevo hasta 3.75. Otro requisito que cumple este perfil es el de deflexión de la viga, ya que este valor es menor a 1 cm, como lo establece la norma AISC referidos en la tabla 4.19, siendo en este caso la deflexión de 0.76 cm el cual es un valor que si bien es cercano a 1 cm tiene un margen de 0.23 cm con respecto al valor máximo, teniendo una estructura más firme y más estable que el resto de los perfiles, y cumpliendo con el índice de trabajo para los requerimientos de esta norma.
4.14 Cálculo y diseño de los pernos para sujeción de viga carrilera La sujeción de la viga carrilera a los soportes se hará mediante pernos, para darle una mayor estabilidad y firmeza a la estructura, evitando desalineamiento de los rieles y carros producidos por la vibración y el impacto de los componentes mecánicos del sistema.
Figura 4.23 Vista Lateral de la unión viga carrilera-soporte Fuente: Elaboración propia
Para el diseño de los pernos se toma en cuenta un caso especial donde existe una fuerza de empuje lateral, debido al frenado del polipasto y se toma en cuenta que dicha fuerza es transmitida a la viga carrilera a traves del riel. Analizando este caso, tenemos:
Plano ZX X
143
Z
Figura 4.24 Diagrama de fuerzas transversal en la viga carrilera Fuente: Núñez, Fabián. Araujo, Ender. (2013)
Para tales efectos se presentan las siguientes condiciones: ∑ Fy=0
Ra+ Rb- 15190N - 15190 N=0 ∑Ma=
7.57Rb - 5.31m(15190N) – 2.26m(15190N) – Mb = 0 Resolviendo Ra= Rb= 15190 N Ma = 24080.49 Nm
Empuje lateral
Css= 10% Cvs
144
Cvs = Cn + Wpg + Ci = 196000 + 88200 + 19600 = 303800 N Css= 30380 N Tomando como material del perno un perno tipo SAE nu m 8.
Figura 4.25 Especificación SAE para pernos de acero Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Sp = Resistencia de prueba mínima= 120 Kpsi = 827.38 Mpa Sy= Resistencia mínima a la fluencia= 130 kpsi = 896 Mpa
Se toma la formula de resistencia al corte del perno (Shigley) Asumiendo un F.S= 2.5
Tomando como valor
145
Figura 4.26. Dimensiones de tuercas hexagonales Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Long perno= 22.2 + 19.05 +19.05 + 2 + 2= 64.3 mm= 2,53 plg. Tomando como longitud perno = 3 pulg (comercial) LT= 2d + ¼
L ≤ 6 pulg según Shigley LT= 2 pulg
Long no roscada = L-LT= 1 pulg = 2.54 cm =25.4 mm
146
Como se observa la longitud no roscada es mayor al espesor del ala entonces el área no roscada es la que está sujeta a cortante.
Tomando 4 pernos para la sujeción de la viga tenemos: Según la norma AISC los pernos deben estar separados 3d del borde y entre pernos la separación debe ser de 1.75d, siendo “d” el diámetro nominal de los pernos por tanto.
Separación del borde 3d = 2.025 pulg = 6.6 cm Separación entre pernos > 1.75d= 1.53 pulg = 3.9 cm La distribución de los pernos quedaría así:
Figura 4.27. Vista de planta de la viga carrilera con los pernos Fuente: Núñez, Fabián. Araujo, Ender. (2013)
147
Figura 4.28. Distribución de la fuerza cortante y momento actuante en los pernos Fuente: Núñez, Fabián. Araujo, Ender. (2013)
Donde
V= 15190 N Ma= 24080.49 N.m
Figura 4.29. Distribución de fuerzas en cada perno
148
Fuente: Núñez, Fabián. Araujo, Ender. (2013)
Los pernos 2 y 4 son los más críticos debido a que en ellos los cortantes se suman
Donde
Resolviendo
Por cortante en el perno
149
Por fluencia
El factor de seguridad por fluencia esta dentro de los límites establecidos, ya que la fuerza lateral en la viga carrilera no es una fuerza estática, sino que aparece cuando el polipasto está cargado y frena, o cuando frena con los topes de carrera del polipasto por lo tanto si no se toma en cuenta la carga nominal y se considera el frenado del polipasto el F.S de los pernos aumenta, teniendo como cargas actuantes en los pernos las siguientes:
Ra= 4409.99 N
Ma= 6991,1 N.m Calculando los valores de esfuerzos cortantes, tenemos
Por lo tanto por cortante en el perno:
Por fluencia:
150
4.15 Calculo de Soldadura
Vigas carrileras (Empalme)
En cuanto a la soldadura en las uniones superiores del ala de la viga se trabajara con bisel con el fin de realizar una soldadura pasante que cumpla con las especificaciones de la AWS, este biselado se hace normalmente con la ayuda de la pulidora o del esmeril, dando por resultado un grado de penetración apropiado para la junta. Luego de realizar este procedimiento se debe esmer ilar la superficie ya que sobre esta estará situado el riel y cualquier imperfección puede llevar a la desalineación del riel y al descarrilamiento del carro testero. Seguidamente se realizara una soldadura a tope en el resto de la sección del alma de la viga Según la figura 4.30, tomamos el 7mo patrón que corresponde al siguiente trazado de figura:
151
Figura 4.30. Algunas propiedades mecánicas de los electrodos según AWS Fuente: (Shigley y Mischke, 2008)
Para calcular el Área de garganta de la soldadura tenemos:
Donde: b=230 mm = 9.05 plg d= 594.8 mm = 23.41 plg h= espesor mínimo de garganta efectiva = 8 mm = 0.315plg Donde el valor de h se buscara, según la AISC especificado en la tabla que a continuación se presentaran los espesores a soldar.
152
Tabla 4.21. Espesor mínimo de garganta efectiva Fuente: (AISC, 2005)
Entonces tomando los valores correspondientes de la tabla: 13 y 19 mm el valor de h es de 6mm 19 y 38 mm el valor de h es de 8mm Para este caso se utiliza el h= 8mm (espesor de la lamina=22.2mm) Sustituyendo en la ecuación #
Calculando el cortante primario en la soldadura Tomando en cuenta el estado de carga II analizado en la sección 4.1 tenemos que F es igual a la fuerza cortante, entonces F= 126 462.42 N= 28 400.95 Lbf
Con base en una resistencia mínima y el criterio de energía de dist orsión, el factor de seguridad es:
153
Para este proceso se empleara un electrodo de tipo E 6010 debido a ser este un electrodo de revestimiento celulósico-sódico, con polvo de hierro, posee alta rata de deposición, con muy buena penetración y fusión siendo diseñados para aplicaciones típicas para soldadura de oleoductos y gasoductos, construcciones navales y en estructuras de acero principalmente. Resistencia a la fluencia = 50 kpsi Resistencia a la torsión= 62 kpsi Sustituyendo
Como se explico anteriormente la soldadura en las secciones restantes de la viga será una soldadura a tope, se ilustra su ubicación en la fig 4.29.
Figura 4.31 Empalme de las vigas carrileras por medio de soldadura Fuente: Elaboración propia
Placa vertical: conexión Grúa-testero
Para este modelo, la base del diseño de la soldadura utilizamos la siguiente ecuación según Shigley:
Donde: l= 2 veces la longitud de la placa F= 126335.72 N
154
Tenemos que:
Para calcular el esfuerzo cortante permisible se toma un electrodo de clasificación AWS E7024, ya que tiene en su aplicación típica para puentes y equipos pesados, y posee un límite elástico de 462 Mpa. Utilizando un F.S de 2.2 se tiene lo siguiente:
Por lo tanto
Despejando h h = 7.8 mm Es decir que cualquier h por encima de este valor cumple con los requerimientos
Figura 4.32 Unión por medio de soldadura de la placa para la conexión grúatestero. Fuente: Elaboración propia
155
4.16 Diseño de nuevos soportes Gracias a estudios previos de los soportes existentes en el galpón del taller comercio que se utilizarían para el apoyo de la viga carrilera, mediante el paquete computacional SOLIDWORKS, se obtuvo como resultado que dichos soportes no están capacitados para soportar la carga ejercida por la grúa puente en estos, por lo tanto es necesario el diseño de nuevos soportes
Cálculos para el diseño de los soportes
Figura 4.33 Estado de cargas del soporte Fuente: Elaboración propia
Según los cálculos obtenidos por el programa de simulación SOLIDWORKS, para el soporte de sección variable, bajo el efecto de la carga Rs1= 126 330 N, el factor de seguridad es igual a 0.34 (ver figura 5.3)
156
Donde: W=
Rs1= Reacción ejercida por la viga carrilera sobre el soporte (N) = 126 330 N bf= Ancho del soporte = 0,23 m W= 126 330 N / 0,23 m=549 260.87 N/m Debido a que no se conoce el perfil del soporte, se realiza un análisis aproximado despreciando el peso del perfil, luego al tener un valor de inercia se comprueba que el perfil cumpla con las condiciones solicitadas, entonces tenemos que:
Asumiendo Factor de seguridad = 3 Sy = 250 Mpa Sustituyendo:
157
Como no se conocen las dimensiones del perfil del soporte, el momento de área (Q) de la sección, no se conoce, por lo tanto, tomando solo el esfuerzo normal
Del análisis estático tenemos que M= 23697.33 N.m
Con el Modulo de sección elástico (S) calculado, seleccionamos varios tipos de perfiles que se acerquen a dicho valor, dadas a continuación en la siguiente tabla especificando su geometría y su respectiva inercia. Tabla 4.22 Dimensiones de los perfiles seleccionados para el nuevo s oporte Fuente: Elaboración propia
Vigas W14x82 W14x53 W16X57 W18x50
d (cm) 36.3 35.4 41.7 45.7
bf (cm) 25.7 20.5 18.1 19
tf (cm) 2.17 1.68 1.82 1.45
tw (cm) 1.3 0.940 10.90 9.02
I (cm ) 37000 22800 32100 33900
S (cm ) 2030 1290 1540 1480
Luego se procede al cálculo del valor real del esfuerzo normal ( x), tomando en cuenta el peso de cada perfil y los valores de cortante en el plano XY, para luego encontrar el valor del esfuerzo de Von Misses mediante las siguientes ecuaciones respectivamente.
158
Tabla 4.23 Reacciones máximas de los perfiles Fuente: Elaboración propia
Vigas W14x82 W14x53 W16X57 W18x50
Peso (N/m) 1205.4 784 843.78 737.94
Mmax (N.m) 23699 23666.95 23671.5 23663.45
Vmax (N) 121533 121369 121392.3 121351
Los valores máximos de momento flector y fuerza cortante se dan en la unión soporte-columna, esta es la sección que se analizara par a el cálculo de esfuerzos
Realizando el mismo procedimiento utilizado en la sección 4.8 para el cálculo del primer momento de área (Q) tenemos que: Tabla 4.24 Valores de momento de área de los perfiles seleccionados Fuente: Elaboración propia
Vigas W14x82 W14x53 W16X57 W18x50
Q (cm ) 1117.68 846.55 854.23 816.08
Se calculan los esfuerzos correspondientes Tabla 4.25 Valores de esfuerzos de los perfiles Fuente: Elaboración propia
Vigas W14x82 W14x53 W16X57 W18x50
(Mpa) 11.58 18.33 15.33 15.91
(Mpa) 28.13 47.819 29.56 26.737
(Mpa) 50.08 84.83 53.44 48.966
159
Luego se procede al cálculo del Factor de Seguridad:
Tabla 4.26 Factor de seguridad de los perfiles seleccionados Fuente: Elaboración propia
Vigas W14x82 W14x53 W16X57 W18x50
Factor de Seguridad 5 2.95 4.68 4.3
Se selecciona el perfil W14x53, porque es uno de los perfiles que tiene menor peso, por lo tanto tiene menor costo, el factor de seguridad es el menor y se encuentra dentro de los límites establecidos (2 ≤F.S≤3), con esto tenemos que el sobredimensionamiento del soporte es el menor de todos los casos anteriores, acarreando menor costo de materiales y de fabricación.
4.16.1 Soldadura de los soportes a la columna Para calcular el Área de garganta se tomara el 7mo patrón figura 4.28, debido a que cumple con la misma característica del trazado de la soldadura. Para calcular dicha área de garganta de la soldadura tenemos:
Donde: b= 25.7 cm 10.12 pulg d= 36.3 cm 14.29 pulg Entonces Área de garganta es igual a 12.94 pulg2 Se prosigue a calcular la ubicación del y el
160
Luego el segundo momento unitario del área
Se aplicara una soldadura de filete de h= 3/8’’, empleándose un electrodo E6010
Calculando la Inercia
Se prosigue con el cálculo del Cortante Primario en la soldadura Donde la fuerza aplicada es de 126330,036 N = 28400.12lbf
Ahora el cálculo del Cortante Secundario en la soldadura Distancia desde el centroide hasta el borde superior es de 9.84 pulg
3280.91 psi La magnitud del cortante es la ecuación de Pitágoras
161
Con base n una resistencia mínima y el criterio de energía de distorsión, el factor de seguridad en la soldadura es:
El material de aporte tiene una resistencia satisfactoria.
Fijación de los soportes a las columnas del galpón.
Figura 4.34 Fijación de los nuevos soportes a las columnas. Fuente: Elaboración propia
4.17 Rediseño de las vigas de la grúa puente a fin de acondicionarlas a las dimensiones de la nave del galpón industrial. En virtud de que las vigas principales de la grúa son de dimensiones superiores a la ala de la nave en la cual será instaladas se requirió rediseñar y redimensionar las mismas para adaptarlas a las condiciones reales, por lo que a continuación se especifican las actividades y las condiciones geométricas del nuevo diseño, considerando que estas nuevas dimensiones favorecen a la capacidad de la grúa y no se modifican el diseño original en los puntos de apoyo en las vigas testeras.
162
A. Especificaciones geométricas del redimensionamiento de las vigas principales de la Grúa puente A.1 Plano esquemático redimensionado de la viga
Figura 4.35 Plano esquemático de la viga principal de la grúa puente redimensionada Fuente: Elaboración propia
A.2 Plano de Corte
Figura 4.36 Plano de corte de la viga principal Fuente: Elaboración propia
163
B. Especificaciones técnicas de corte y soldadura B.1 Realizar corte con equipo de oxicorte o plasma B.2 Realizar biselado en las partes a soldar de acuerdo a la norma B.3. Realizar soldadura de acuerdo al procedimiento de la norma
C.1 Normas de Limpieza SSPC Limpieza a metal blanco (SSPC-SP-5)
C.2 Pintura y revestimiento De acuerdo a la Especificación de PDVSA No. 1E Enero, 2000, para uso en estructuras y tuberías cercanas al mar, no expuestas a salpicaduras de agua salada. Tabla 4.27 Características de diferentes tipos de pinturas. Fuente: Elaboración propia
Mano 1 2 3 4
Pintura
Color
CINC GRIS INORGANICO FONDO EPOXI ROJO POLIAMIDA ESMALTE GRIS EPOXI POLIAMIDA ESMALTE AMARILLO EPOXI POLIAMIDA
Tiempo Secado (hrs) 12
Espesor Seco (mils) 3
24
2
24
2
24
2
Tipo De Limpieza
5 P S C P S S
Observaciones: Requiere la aplicación de chorro de arena SSPC-SP-5 Forma de aplicación: pistola, brocha o rodillo (excepto el cinc inorgánico) Para otro color consultar lista del fabricante. Código SAP de cuerdo al color seleccionado. Precauciones de seguridad: guantes, mascaras, etc.
CAPITULO V RESULTADO Y ANALISIS DE RESULTADOS
165
CAPITULO V RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 5.1 RESULTADOS Una vez culminado con todos los objetivos planteados en el primer capítulo, se procede a presentar los resultados obtenidos en cada uno de ellos. En primer lugar se muestran los resultados de las simulaciones hechas a los soportes existentes en el galpón de la empresa:
5.1.1 Soportes Existentes
Figura 5.1 Carga actuante en el soporte Fuente: (Elaboración propia)
166
Figura 5.2 Análisis de esfuerzo y deformación en el soporte existente Fuente: (Elaboración Propia)
167
Figura 5.3 Factor de seguridad de los soportes actuales. Fuente: (Elaboración propia)
5.1.2 Nuevos soportes diseñados
Figura 5.4 Soportes nuevos con carga actuante Fuente: (Elaboración propia)
168
Figura 5.5 Análisis de esfuerzo y deformación en el nuevo soporte diseñado Fuente: (Elaboración Propia)
169
Figura 5.6 Factor de seguridad de los nuevos soportes. Fuente: (Elaboración propia)
170
5.1.3 Simulación de columnas existentes en el galpón
Figura 5.7 Columnas existentes en el galpon Fuente: Elaboracion propia
Figura 5.7A Analisis de deformacion de las columnas existentes en el galpon Fuente: Elaboracion propia
171
Figura 5.8 Factor de seguridad y deformacion de las columnas existentes en el galpon Fuente: Elaboracion propia
5.1.4 Vigas Carrileras 5.1.4.1 Caso I: Carro testero en el centro de la viga carrilera
Figura 5.9. Estado de carga en la viga carrilera Fuente: (Elaboración propia)
172
Figura 5.10 Análisis de esfuerzo y deformación en la viga carrilera Fuente: (Elaboración propia)
Figura 5.11 Factor de seguridad de la viga carrilera con el carro testero centrado Fuente: (Elaboración Propia)
173
5.1.4.2 Caso II: Carro testero en el extremo de la viga carrilera
Figura 5.12 Estado de carga en la viga carrilera Fuente: (Elaboración propia)
Figura 5.13 Análisis de esfuerzo y deformación en la viga carrilera Fuente: (Elaboración propia)
174
Figura 5.14 Factor de seguridad de la viga carrilera con el carro testero en posición extrema Fuente: (Elaboración Propia)
5.2 ANALISIS DE RESULTADOS Para el análisis de los soportes existentes se utilizo el programa de computación SOLIDWORKS, con el cual se pudo determinar que los soportes existentes en las columnas del galpón no están capacitados para soportar la carga de 20 Ton, para la cual fue diseñado el sistema. Por lo tanto se diseñaron nuevos soportes que soporten esta capacidad de carga, arrojando un Factor de Seguridad de 2.7, aceptable para el diseño. En el análisis para la viga carrilera se determinó que la estructura está sometida a esfuerzos de flexión, y el diseño se baso en este par ámetro. Se determino que el perfil a utilizar es W24x94, ASTM A242, ya que es uno de los perfiles con menor peso que soportan las cargas aplicadas, lo que conlleva a un menor costo de material. El factor de seguridad obtenido en la viga carrilera es de 3.7, que si bien es un valor alto, se debe tomar en cuenta que el sistema operara en un espacio donde trabaja personal de la empresa, por lo que se debe sobreguardar la vida de estas personas. Para que la grúa puente se desplace longitudinalmente, se tomo un riel perfil ASCE #60. Para la elección de este riel se tomo en cuenta el diámetro de la rueda, la carga sobre estas y la dureza. Del catalogo del proveedor de rieles con estas características se selecciono el perfil mencionado.
175
Los pernos son de 7/8” de diámetro de material SAE grado 8 y con una longitud de 3”. Debido a que estos pernos deben soportar la carga longitudinal ejercida por el
frenado y aceleración del polipasto. Los procedimientos aplicados para la soldadura de los elementos estructurales se llevo a cabo bajo la norma AWS, la cual rige todos los procedimientos a utilizar. Se determino que es necesaria una soldadura de filete con electrodo E6010 con un espesor mayor a 8 mm según AISC para las vigas carrileras, para el cual se tiene un factor de seguridad de 12. Para la unión conexión de las vigas principales con los testeros, mediante pernos, se diseño la placa para esta unión, con una soldadura a filete con electrodo E7024 y un espesor mínimo de 8 mm, para un factor de seguridad de 2.2.
176
CONCLUSIONES
1. De acuerdo con el estudio integral realizado del sistema Grúa Puente la máxima capacidad de operación en condiciones seguras en las estructuras del galpón del taller comercio es de 20 ton. 2. Los actuales soportes existentes en las columnas no están adecuadas para operar de forma segura la grúa puente disponible para este proyecto. De acuerdo con el análisis realizado se requieren nuevos soportes para la instalación del sistema grúa puente. 3. De acuerdo con los análisis las estructuras de columna y fundaciones del galpón del taller comercio están en capacidad de recibir los máximos esfuerzos del sistema grúa puente. 4. Para la instalación de las vigas carrileras se debe utilizar un perfil W24x94 ASTM A242. 5. Aunque índice de trabajo muy por debajo de 1 conllevarían a la obtención de una estructura con parámetros de estabilidad demasiado altos, esto recae en un sobredimensionamiento del diseño y por ende en una elevación de los costos. Los índices de trabajo obtenido además de proporcionar una estructura estable para operar bajo condiciones seguras la grúa, evita un sobredimensionamiento en el diseño ahorrando costos en el material de construcción de las vigas. 6. Para la instalación del riel de movimiento de la grúa se debe utilizar un perfil ASCE #60. 7. Todos los resultados fueron convalidados con el programa de análisis computacional Solids Work para cálculos de esfuerzos, deflexión y Factores de seguridad.
177
8. El mínimo factor de seguridad basado en las máximas condiciones criticas de operatividad de todo el sistema grúa puente fue de 2.87. 9. Los pernos que deben usarse para la fijación de la viga carrilera son de diámetro 7/8” SAE Grado 8.
10. Las vigas carrilera deben ser unidas con soldadura usando electrodos E6010, con esfuerzo de fluencia de 50000 psi, garantizando un factor de seguridad de 3.2. 11. El costo de este proyecto es de 3.000.000 Bs c on un estimado “clase 5”.
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RECOMENDACIONES
1. Se recomienda Sand blastear (chorro de abrasivos) y pintar de acuerdas a las especificaciones de limpieza y preparación de superficies los procedimientos ya establecidas en el capítulo 2 de este proyecto de investigación e identificar la misma con la capacidad nominal de 20 toneladas. 2. Certificar el izamiento de la grúa puente con los procedimientos de calidad en la materia. 3. Realizar el mantenimiento preventivo al polipasto y carro testero. 4. Diseñar y construir la acometida eléctrica para el funcionamiento de la grúa con la asesoría de un ingeniero eléctrico 5. Ensamblar la grúa puente por pieza en sitio debido a que el conjunto pesa 9 toneladas y no hay espacio de operatividad de grúa. 6. Se recomienda construir los soportes de acuerdo al diseño planteado en este trabajo utilizando laminas de acero de por lo menos ¾ pulg de acero A242. Y realizar ensayos no destructivos a toda la soldadura. (tinta penetrante, rayos x, etc.) 7. Se recomienda construir e instalar en el área de los soportes rigidizadores en las columnas. 8. Utilizar el material ASTM A242 para la viga carrilera, en caso de no adquirir este material se recomienda un ASTM A572 grado 50. 9. Utilizar un proceso de soldadura para la fijación del riel a la viga carrilera usando cordones de soldadura de 2 pulg x cada pie de riel.
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10. Mantener todos los parámetros de diseño para la fabricación e instalación de la grúa. 11. No operar la grúa por encima de las 20 TON y hacer un análisis de riesgo en el área de operación. 12. Implementar las medidas de seguridad para la operación de la grúa. 13. Utilizar una longitud de perno mínima de 3 pulg. 14. Evaluar la importación de la procura de material.
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BIBLIOGRAFIA
Armijo, Iván. (2007) “Análisis de Soldadura de una Plataforma para Transporte de Maquinaria Pesada”. Guayaquil, Ecuador. Escuela superior Politécnica del
Litoral.
Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011) “ Diseño de un puente grúa tipo 5 toneladas de capacidad para la industria metalmecánica”. Quito, Ecuador.
Escuela Politécnica Nacional
Ferdinand p. Beer, e. Russell Johnston, JR 2.001 “ Mecánica de Materiales”
Marín R. Carlos J.; ROMERO F. Miguel A. “Diseño de un puente grúa para la
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García R. Kenny D. “modificación de un sistema de rieles para guas puente
de una planta compresora”. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería, Escuela Mecánica. Maracaibo, 2007, Trabajo Especial de Grado.
Shigley y Mischke. (2008). Diseño en ingeniería mecánica. Impreso en México. Sexta Edición. Editorial Mc Graw Hill.
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Catalogo empresa Anchor . http://www.anchorsales.com/cranes.php.
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Norma CMAA Crane Manufacturers Association of America. Revisado año 2000. “Specification #70”
ANEXOS
ANEXOS
Anexo 1. Riel ASCE #60 Fuente: Crail Rail Supply
Anexo 2. Viga principal de la Grúa Puente redimensionada Fuente: (Elaboración propia)
TITULO:
Dibujado por: Núñez, Fabián y Araujo, Ender
TITULO: Plancha conexión viga principal – Testero. “Rediseño de un sistema grúa puente para una empresa metalmecánica”.
Dibujado por: Núñez, Fabián y Araujo, Ender Fecha: 05/12/2013 Escala:
Anexo 3. Plancha conexión viga principal-testero #1 Fuente: (Elaboración propia)
Medidas: Centímetros Material: ASTM A572 Grado 50
TITULO: Plancha conexión viga principal – Testero. “Rediseño de un sistema grúa puente para una empresa metalmecánica”.
Dibujado por: Núñez, Fabián y Araujo, Ender Fecha: 05/12/2013 Escala:
Anexo 4. Plancha conexión viga principal-testero #2 Fuente: (Elaboración propia)
Medidas: Milímetros Material: ASTM A572 Grado 50
Anexo 5. Tablas de propiedades de perfiles W. Fuente. Catalogo MAPLOCA
Anexo 6. Tablas de propiedades de perfiles W. Fuente. Catalogo MAPLOCA
Anexo 7. Tablas de propiedades de perfiles W. Fuente. Catalogo MAPLOCA
Anexo 8. Tablas de propiedades de perfiles W. Fuente. Catalogo MAPLOCA
Anexo 9. Tablas de propiedades de perfiles W. Fuente. Catalogo MAPLOCA
Anexo 10. Fachada Principal de Taller Comercio Fuente: Núñez, Fabián (2012)
Anexo 11. Grúa puente de 25 toneladas. Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 12. Grúa puente de 25 toneladas. Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 12. Rueda del carro testero de la grúa. Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 13. Galpon Taller Comercio. Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 14. Fundaciones de las columnas del galpon. Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 15. Columnas y soportes existentes en el galpon Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 16. Vista Isométrica simulación de la grúa puente instalada. Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 17. Vista Frontal de la simulación de la grúa puente instalada. Fuente. Araujo, Núñez (2013)