Memoria Tecnica Torre 18M LAM0131

Memoria Técnica de Cálculo

Torre Ventada de 18 metros

MEMORIA TECNICA DE CÁLCULO TORRE VENTADA H=18 M

JULIO - 2015

Torre Ventada de 18 metros

Memoria Técnica de Cálculo

Contenido 1

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

2

OBJETIVO

3

NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO

4

ANALISIS DE CARGAS APLICADAS 4.1

Carga muerta

4.2

Carga de equipos de comunicación

4.3

Carga de montaje o viva

4.4

Carga de viento en la estructura

4.5

Carga de viento de las antenas hacia la estructura

4.6

Carga de sismo

5

COMBINACIONES DE CARGAS

6

MATERIALES 6.1

Elementos principales, secundarios y accesorios: Acero ASTM A-36

6.2

Pernos estructurales A-325

6.3

Pernos de anclaje A-615

7

PROCESO DE DISEÑO

8

DATOS Y RESULTADOS DE DISEÑO

9

8.1

Datos de entrada

8.2

Datos de salida

DIMIENSIONAMIENTO DE JUNTAS

10 PLACA BASE 11 PERNOS DE ANCLAJE 12 SOLDADURA

Torre Ventada de 18 metros

1

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DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

La estructura del análisis está compuesta por 6 tramos de 3m cada una, culminando la estructura con una longitud total de 18 metros, de 300 mm de lado y sección cuadrada. La estructura está formada por 4 montantes tubulares metálicos de Ø32mm, arriostrados por barras macizas metálicas de Ø16mm. La torre queda atirantada con una disposición triangular en cada altura. Es decir 3 cables por arriostre, dando un total de 12 cables de Ø8mm. La torre tendrá una base articulada, y obtendrá estabilidad global, gracias a la disposición de cables metálicos. Estos elementos forman un conjunto estructural que soportan principalmente cargas muertas y cargas de viento transmitidos por equipos de comunicación, accesorios, etc. y en sí mismo por la propia estructura.

2

OBJETIVO

El principal objetivo es dimensionar los elementos que conforman la torre de 18m de altura y posteriormente desarrollar la ingeniería de detalle para la estructura de torre.

3

NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO

a. Análisis y cálculo de cargas de viento en estructura y antenas, según la norma TIA/EIA-222-F. b. Modelación, análisis estructural y diseño con el programa SAP2000 V15. c. Código de diseño AISC–LRFD-99. d. Diseño de elementos metálicos con la norma ASTM-A36 (AASHTO M270 Grado 36).

4 4.1

ANALISIS DE CARGAS APLICADAS Carga muerta

Se entiende por carga muerta al peso propio de la estructura, este peso es definido por el mismo programa a través de las longitudes, secciones transversales y materiales, asignados a cada elemento de la estructura. 4.2

Carga de equipos de comunicación

Se ha definido por parte del cliente los equipos de comunicación, que por fines de cálculo se han ubicado en la cota máxima de la torre, tales equipos se describen en la tabla 1.

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Tabla 1. Equipos de comunicación a soportar por la torre. Equipo

4.3

Diámetro de Antena [m]

Área Antena [m²]

Altura [m]

Peso [kg]

Cantidad

MICROWAVE

1,2

1,17

18

200

1

MICROWAVE

1,2

1,17

18

200

1

Carga de montaje o viva

El peso de dos personas de 80 kg cada una, será ubicado en la cota máxima de la torre, para considerar el peso de personal de montaje o mantenimiento de la estructura. 4.4

Carga de viento en la estructura

Esta carga se aplica como distribuida en los elementos de la cara frontal de la estructura, para lo cual se divide la estructura en tramo de 6 metros, según indica la norma: TIA/EIA-222-F, los Resultados del cálculo de fuerza se indican la tabla 2 y tabla 3:

Donde:

qZ G

= Presión provocada por la velocidad del viento [kg/m²] H

= Factor de respuesta a ráfagas para elementos

CF

= Coeficiente de fuerza

AE

= Área efectiva proyectada de los miembros estructurales en una cara [m²]

z

= Altura desde suelo a punto medio de sección [m]

V

= Velocidad de viento [m/s]

h

= Altura total de la torre [m]

CA

= Coeficiente de fuerza puntual o lineal de accesorios

AA

= Es el área proyectada de accesorios

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Tabla 2. Cargas de viento en la estructura, velocidad de viento máxima 120 kmph

Tram o

1 2 3

4.5

Altura media (z) [m ]

Kz

15 9 3

1,12 1 1

qz (k g/m ²)

Ancho de l e le m e nto e n la car a frontal de la torre [m ] GH

63,21 1,19 56,30 1,19 56,30 1,19

M ontante

Diagonal principal

Horizontal

0,120 0,140 0,140

0,050 0,050 0,060

0,050 0,050 0,050

Ae [m ]

Ag [m ]

2,442 10,967 3,087 14,436 3,428 19,090

Fue rza e n los e le m e ntos de la frontal [k g/m ] e

Cf M ontante

Diagonal principal

Horizontal

22,8 23,9 25,0

9,5 8,5 10,7

9,5 8,5 8,9

0,223 2,522 0,214 2,550 0,180 2,666

Carga de viento de las antenas hacia la estructura

La magnitud de la fuerza frontal sobre las antenas, se muestra en la tabla 3 y se calcula con la siguiente ecuación:

Donde:

Ca

=Coeficiente según el tipo de antena

A

=área frontal de la antena (ft2) =velocidad básica del viento (mph)

V

Tabla 3. Cargas de escaleras hacia la estructura, velocidad de viento máxima 120 kmph Equipo

4.6

Diámetro de Antena [m]

Área Antena [m²]

Altura [m]

Peso [kg]

Cantidad

Kz

GH

Fa (Kg) Qz (Kg/m²)

MICROW AVE

1,2

1,17

18

200

1

1,28

1,18

126,01

72,30

MICROW AVE

1,2

1,17

18

200

1

1,28

1,18

126,01

72,30

Carga de sismo

La carga de sismo depende del tipo de suelo y la zona sísmica. La estructura de la torre de 18 m, será ubicada en la provincia de Chiclayo, la cual posee suelos intermedios y una zona sísmica 3; los coeficientes según el suelo y la zona se muestran en las tablas 4 y 5, respectivamente, para la identificación de zona sísmica se puede ver en la figura 1.

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Tabla 4. Coeficientes S y Tp según tipo de suelo

Tipo S1 S2 S3 S4

Descripción Roca o suelos muy rígidos Suelos intermedios Suelos blandos y estrato profundo Condiciones especiales de suelo

S 1.0 1.2 1.4 *

Tp (s) 0.4 0 0.6 0.9 *

Tabla 5. Coeficiente de zona sísmica según tipo de suelo

Zona sísmica Valor factor Z

1 0.40

2 0.30

3 0.15

Figura 1. Identificación de zonas símicas en el Perú

La categorización de la estructura según el tipo de servicio que preste se encuentra en la tabla 6, cuyo factor de importancia es 1.5, por estar en la categoría A.

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Tabla 6. Factor de importancia según uso de la estructura

CATEGORÍA DE LAS EDIFICACIONES CATEGORÍA A Edificaciones Esenciales

B Edificaciones Importantes

C Edificaciones Comunes

DESCRIPCIÓN Edificaciones esenciales cuya función no debería interrumpirse inmediatamente después que ocurra un sismo, como hospitales, centrales de comunicaciones, cuarteles de bomberos y policía subestaciones eléctricas, reservorios de agua. Centros educativos y edificaciones que puedan servir de refugio después de un desastre. También se incluyen edificaciones cuyo colapso puede representar un riesgo adicional, como grandes hornos, depósitos de materiales inflamables o tóxicos. Edificaciones donde se reúnen gran cantidad de personas como teatros, estadios, centros comerciales, establecimientos penitenciarios, o que guardan patrimonios valiosos como museos, bibliotecas y archivos especiales. También se considerarán depósitos de granos y otros almacenes importantes para el abastecimiento Edificaciones comunes, cuya falla ocasionaría pérdidas de cuantía intermedia como viviendas, oficinas, hoteles, restaurantes, depósitos e instalaciones industriales cuya falla no acarree peligros adicionales de incendios, fugas de contaminantes, etc.

D Edificaciones Menores Edificaciones cuyas fallas causan pérdidas de menor cuantía y normalmente la probabilidad de causar víctimas es baja, como cercos de menos de 1,50m de altura, depósitos temporales, pequeñas viviendas temporales y construcciones similares.

FACTOR U

1,5

1,3

1,0

(*)

El factor de reducción de respuesta sísmica se toma de la tabla 7, que corresponde a 6.0 para estructuras de acero con arriostres en cruz.

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Tabla 7. Factor de reducción para estructuras diferentes a las de edificación

SISTEMAS ESTRUCTURALES Sistema Estructural

Coeficiente de Reducción, R Para estructuras regulares (*) (**)

Acero Pórticos dúctiles con uniones resistentes a momentos. Otras estructuras de acero: Arriostres Excéntricos. Arriostres en Cruz.

5

9,5 6,5 6,0

Concreto Armado Pórticos (1). Dual (2). De muros estructurales (3). Muros de ductilidad limitada (4).

8 7 6 4

Albañilería Armada o Confinada (5).

3

Madera (Por esfuerzos admisibles)

7

COMBINACIONES DE CARGAS

Según la norma de diseño ASD 89, las combinaciones de carga son las siguientes: Caso 1:1D Caso 2: 1D + 1L Caso 3: 1D + 1W Caso 4: 1D + 1W + 1L Caso 5: 1D + 1E Caso 6: 1D + 1E + 1L Las cargas indicadas en las anteriores combinaciones se describen como: D.- carga muerta; L.carga viva o de montaje; W.- carga de viento; E.- carga de sismo.

6

MATERIALES 6.1 Elementos principales, secundarios y accesorios: Acero ASTM A-36: Esfuerzo de fluencia: Fy = 36 ksi o 2536 Kg/cm2 Límite de ruptura: Fu = 58 ksi o 4086 Kg/cm2 6.2 Pernos estructurales A-325: Carga de prueba: Fp = 85 ksi o 5988 Kg/cm2 Resistencia mínima a la tracción: Fu = 120 ksi o 8453 Kg/cm2

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6.3 Pernos de anclaje A-615: Esfuerzo de fluencia: Fy = 60 ksi o 4017 Kg/cm2 Límite de ruptura: Fu = 90 ksi o 6026 Kg/cm2 6.4 Cables de Acero 6X7+1: 8mm Peso: P = 0.2290 Kg/m Límite de ruptura: Fu = 3,830 Kg

7

PROCESO DE DISEÑO

Figura 2. Proceso de diseño de la estructura de torre

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Una vez que se tiene los datos de carga para la aplicación de cargas, se realiza un modelo tridimensional, en el cual se asigna: configuración geométrica, perfiles, materiales y cargas. Posteriormente se analiza los esfuerzos en las juntas para el dimensionamiento; en la figura 2, se indica los pasos a seguir para proceso de diseño.

8 DATOS Y RESULTADOS DE DISEÑO 8.1 Datos de entrada: -

Modelamiento de la Estructura:

-

Asignación de cargas de elementos montantes

-

Asignación de cargas por mantenimiento y montaje

-

Asignación de cargas de viento en la estructura:

SAP2000 – VISTA EN 3D

SAP2000 – VISTA DE PLANTA

15

SAP2000 – CARGAS MUERTAS Y VIVAS

16

SAP2000 – CARGAS DE VIENTO

8.2 Datos de salida: -

Diagrama de Esfuerzos Axiales

-

Reacciones en los Apoyos

-

Diagrama de Esfuerzos de tensión en los cables de acero

-

Análisis del Diseño de la Estructura

-

Tablas de Resultados

SAP2000 –DIAGRAMA DE ESFUERZOS AXIALES

SAP2000 –REACCIONES EN LOS APOYOS

SAP2000– ESFUERZOS DE TENSION EN CABLES DE ACERO

SAP2000– DISEÑO DE LA ESTRUCTURA VISTA EN 3D

SAP2000– DISEÑO DE LA ESTRUCTURA VISTA EN PLANTA

SAP2000– TABLAS DE RESULTADOS Tabla 01: Reacciones en los Apoyos de la Torre Table 01: Joint Reactions Joint

OutputCase

F1 Kgf

F2 Kgf

F3 Kgf

M1 Kgf-m

M2 Kgf-m

M3 Kgf-m

1 2 3 4

DEAD DEAD DEAD DEAD

8.96 -0.44 -0.29 18.07

93.89 58.57 -1.40 -0.97

1262.71 1263.38 789.82 817.52

0.00 0.00 0.00 0.00

0.00 0.00 0.00 0.00

0.00 0.00 0.00 0.00

Tabla 02: Tensiones en los cables de acero Table 02: Element Forces Frame

Station m

OutputCase

P Kgf

V2 Kgf

V3 Kgf

267 268 269 270 271 292 313 334

8.86894 8.86894 12.39589 12.39589 8.76430 8.76430 12.32124 12.32124

Tinicial Tinicial Tinicial Tinicial Tinicial Tinicial Tinicial Tinicial

240.16 237.58 235.47 235.95 237.54 240.09 239.58 239.06

-3.818E-05 4.017E-05 -5.080E-05 5.131E-05 -2.999E-05 2.770E-05 -4.911E-05 4.856E-05

1.013E-04 -1.027E-04 -1.001E-04 1.003E-04 1.091E-04 -1.068E-04 -1.051E-04 1.044E-04

CONCLUSION: -

Los esfuerzos de tensión producidos en los cables de acero de 8mm no superan su límite de rotura Fu = 3,830 Kg; por tanto son capaces de soportar las cargas actuantes en la estructura.

-

En el diseño mostrado en la página 22, los elementos de la torre están trabajando entre el 0.00% y 0.70% de su capacidad máxima (zonas color celeste y verde); por tanto sus elementos son capaces de soportar esfuerzos de comprensión y tracción por efectos de las cargas actuantes.

-

El concreto f’c=210Kg/cm2, usado para el análisis absorbe fácilmente los esfuerzos de compresión generado por las cargas por peso propio y cargas externas a las que está sometida la estructura de acero.

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9

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DIMIENSIONAMIENTO DE JUNTAS

Los pernos a utilizarse son A-325, la cantidad y dimensión depende de la fuerza axial que soporte en cada junta; le método de diseño es el ASD. Los resultados de diseño se indican en las tablas 9, 10, 11. Tabla 9. Resultados de dimensionamiento de juntas Junta

Altura [m ]

Pu total [Kips]

Pu [Kips ]

Φ Perno [in]

Área [in²]

Tramo:1-2 Tramo:2-3 Tramo:3-4 Tramo:4-Base

18 12 6 0

4,356 13,205 21,029 30,244

0,36 1,10 1,75 2,52

5/8 5/8 5/8 5/8

0,31 0,31 0,31 0,31

# Pe rnos en φ Rn [Kips ] la Junta

12 12 12 12

Es fue rzo de V alidación a pre te ns ión Corte [Kips ]

√ √ √ √

7,36 7,36 7,36 7,36

N°Planos de corte en la Junta

φ Rn [Kips ]

Validación a de slizam iento

1 1 1 1

4,2 4,2 4,2 4,2

√ √ √ √

19 19 19 19

Tabla 10. Resultados selección de espesor de placas junta Junta

Altura [m ]

Tramo:1-2 Tramo:2-3 Tramo:3-4 Tramo:4-Base

Pu [Kips ]

18 12 6 0

Φ Pe rno [in]

4,4 13,2 21,0 30,2

5/8 5/8 5/8 5/8

Longitud Es pe s or de tras lapada la UV junta UV junta [m m ] [m m ]

10 10 10 10

10 10 10 10

Dim e ns ión apr oxim ada # Filas de UV junta [m m ]

pe rnos

90X92X10 90X92X10 110X92X10 110X92X10

1 1 1 1

Ag [m m 2]

2720 2720 3120 3120

An [m m 2]

2402,50 2402,50 2802,50 2802,50

Re s is te ncia UV Junta Te ns ión e n Flue ncia [Ks i]

Validación a Flue ncia e n

90,88 90,88 104,25 104,25

Re s is te ncia UV Junta Te ns ión

Te ns ión

e n Ruptura [Ks i]

√ √ √ √

107,99 107,99 125,97 125,97

Validación a Ruptur a e n Te ns ión

√ √ √ √

Tipo de m ate rial

A A A A

36 36 36 36

Tabla 11. Resultados de verificación a bloque de corte de las placas junta Junta

Tramo:1-2 Tramo:2-3 Tramo:3-4 Tramo:4-Base

Altura [m ]

18 12 6 0

Pu [Kips ]

Φ Pe rno [in]

4,4 13,2 21,0 30,2

5/8 5/8 5/8 5/8

Dim e ns ión Es pe s or de aproxim ad la UV junta a UV junta [m m ] [m m ]

10 10 10 10

90X92X10 90X92X10 110X92X10 110X92X10

Ag [m m 2]

An [m m 2]

2720 2720 3120 3120

2403 2403 2803 2803

Re lación e ntre los lim ite s de re s is te ncia de UV Junta [Ks i]

187,06 187,06 215,83 215,83

≤ ≤ ≤ ≤

307,06 307,06 356,41 356,41

→Ok →Ok →Ok →Ok

Re s is te ncia UV Junta a bloque de corte [Ks i]

Validación a Bloque de Corte

172,79 172,79 201,56 201,56

√ √ √ √

Los pernos deben llevar los siguientes elementos: 1.- Perno; 2.- Arandela plana; 3.- Arandela de presión; 4.- Tuerca; los cuales son mostrados en la figura 3. Los pernos deben ser ajustados con el momento de apriete mostrado en la tabla 12. Frecuentemente se suele homologar los pernos A325 por pernos SAE grado 5; no se recomienda realizar esta homologación puesto que aunque las propiedades de resistencia sean iguales, el comportamiento es diferente. Figura 3. Conjunto de ajuste de pernos a utilizarse

4 1 3

2

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Tabla 12.Momento de apriete para los pernos utilizados en la torre de 24 m Diámetro [in] 1/2" 5/8"

MOMENTO DE APRIETE PARA PERNOS lb - pie kg - m 100 13.85 200 27.70

10 PLACA BASE La carga axial Pa, en dirección del eje Z, la cual se obtiene del análisis en la combinación más crítica, modelada en la torre de 18 m. Según la teoría indicada en el manual AISC, décimo tercera Edición, indica las siguientes ecuaciones:

La configuración de la placa base se indica en las figura 4, las dimensiones N y B, son las mismas (500 mm = 13.78 in), la sección transversal de la Torre (A2) y el área de la placa base (A1), casi son similares por lo tanto se utilizara el caso en el que A1=A2. La base de hormigón tendrá una resistencia f´c = 210 kg/cm² y dimensiones de 0.50x0.50x050. La carga Pa corresponde a 7,005.37 Kg. Figura 4. Distribución de elementos en placa base

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11 PERNOS DE ANCLAJE Los pernos de anclaje soportan cargas de corte y tracción, estos deben desarrollar una longitud para impedir el arranque de los mismos, en la tabla 13 se muestra los resultados de diseño de estos elementos, la fuerzas a las sometidos son: 1.- lado a compresión Pa = 33.957 kips, V = 4.35 kips; 2.- lado a tracción: Pa = 14.00 kips, V = 1.84 kips. El material para los pernos es acero ASTM A-615, de diámetro 28 mm; la rosca superior de 150 mm UNC, para tuercas de pernos de diámetro 1”. Tabla 13.Pernos de anclaje Φ Pe rno Hilos /in # Pe rnos [in] 1 8 4

As [in2] 2,42

CALCULO DE PERNOS DE ANCLAJE σt ζc Ag Ft Validación [in2] [Ks i] [Ks i] [Ks i] 3,14 5,78 60 Ok 1,80

Fv Validación [Ks i] 39 Ok

De s arrollo [cm] 67,69

12 SOLDADURA Los elementos soldados en esta estructura se clasifican en la tabla 14, dependiendo de su función los someten a determinado tipo de soldadura, con las recomendaciones de la norma AWS D1.1. Tabla 14.Tipo de soldadura en elementos Ítem 1 2 3 4 5 6

Elemento Base de anclaje Soporte de escaleras Escaleras Plataformas Parantes de barandas Soportes de línea de vida

Tipo de soldadura Tope con penetración completa y cordón periférico Tope con cordón periférico Tope con cordón periférico Tope con cordón periférico Tope con cordón periférico Tope con cordón periférico