T3 - Diseño sismico de una nave industrial

DIPLOMADO EN DISEÑO ESTRUCTURAL

NUEVAS TENDENCIAS EN EDIFICACIONES URBANAS E INDUSTRIALES

“DISEÑO SÍSMICO DE UNA NAVE INDUSTRIAL CON PUENTE GRUA”

TRABAJO APLICATIVO FINAL DEL DIPLOMADO

EQUIPO 5:  

LUIS NERIO, HUAMANÍ MATUTE

CARLOS, MOGROVEJO ZAMBRANO

MARZO 2011-03-17

LIMA-PERU

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PRÓLOGO

Con este trabajo aplicativo final se pretende presentar una información práctica y resumida para el diseño sísmico de una nave industrial con un puente grúa, desde uso de tablas, fórmulas, de un software de diseño, hasta su aplicación. La información contenida en este trabajo, es resultado del empleo de la norma peruana E.030 para el diseño sísmico de estructuras metálicas, siendo esta no específica para el diseño de naves industriales con puente grúa, por lo cual se tomaron como apoyo algunas normas extranjeras como la norma europea (euro código 3), norma norte americana (ASCE 7-05) y sur sur americana (NCh2369.of2003) (NCh2369.of2003) de donde se obtuvieron obtuvieron especificaciones sobre el DRIFT y algunos conceptos generales para el diseño de estructuras metálicas industriales.

El nombre del tema y título de este trabajo aplicativo responde a la amplia gamma del empleo de las naves industriales en los diferentes sectores de la industria peruana y extranjera; mas aun si esta cuenta con un puente grúa para la carga, descarga y traslado práctico de diferentes cosas o productos.

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PRÓLOGO

Con este trabajo aplicativo final se pretende presentar una información práctica y resumida para el diseño sísmico de una nave industrial con un puente grúa, desde uso de tablas, fórmulas, de un software de diseño, hasta su aplicación. La información contenida en este trabajo, es resultado del empleo de la norma peruana E.030 para el diseño sísmico de estructuras metálicas, siendo esta no específica para el diseño de naves industriales con puente grúa, por lo cual se tomaron como apoyo algunas normas extranjeras como la norma europea (euro código 3), norma norte americana (ASCE 7-05) y sur sur americana (NCh2369.of2003) (NCh2369.of2003) de donde se obtuvieron obtuvieron especificaciones sobre el DRIFT y algunos conceptos generales para el diseño de estructuras metálicas industriales.

El nombre del tema y título de este trabajo aplicativo responde a la amplia gamma del empleo de las naves industriales en los diferentes sectores de la industria peruana y extranjera; mas aun si esta cuenta con un puente grúa para la carga, descarga y traslado práctico de diferentes cosas o productos.

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La estructura general del presente trabajo está dividida en 3 capítulos:

El capítulo 1 es la introducción, donde se detalla los antecedentes, objetivo, alcances y conceptos generales que serán usados para el Diseño Sísmico de una Nave Industrial con un Puente Grúa.

El capitulo 2 trata de las consideraciones generales que se deben tomar en cuenta para el diseño; se describe el cálculo estructural sísmico de una nave industrial con un puente grúa mediante un análisis dinámico por combinación modal espectral para cada uno de las direcciones horizontales analizadas, también el cálculo y verificación de los elementos estructurales importantes. En este capítulo se trata de mostrar que el tema principal de este trabajo aplicativo final es el Diseño Sísmico de una Nave Industrial con un Puente Grúa; donde el problema será resuelto por el método de análisis dinámico mediante el empleo de una herramienta de cálculo estructural (sap2000 v14).

El capitulo 3 trata en forma particular del diseño de la viga principal tipo cajón del puente grúa, donde se realizarán los cálculos por resistencia mecánica y por estabilidad. De esta manera introductoria se quiere dar a conocer este trabajo aplicativo, donde la viga principal del puente grúa como elemento estructural y como complemento de las naves industriales son muy solicitados en su conjunto en los diferentes sectores industriales y de esta manera estaríamos cumpliendo en forma integral el diseño y la construcción estructural de la edificación sin la c ontratación de terceros.

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

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ÍNDICE Pág.

CAPITULO 1:……………………………………………………………………...04 INTRODUCCIÓN………………………………………………..........................04 1.1 Antecedentes………………………………………………………………….04 1.2 Objetivos……………………………………………………………………...05 1.3 Alcances………………………………………………………………………06 1.4

Definición de Nave Industrial con Puente grúa……..……………………….06

CAPITULO 2: DISEÑO DE UNA NAVE INDUSTRIAL CON PUENTE GRÚA………………………………………………………………………………13 2.1

Consideraciones para el diseño…………….………………………………...13

2.2

Elementos de entrada para el diseño………..………………………………..14

2.3

Elementos de salida del diseño………………………………………….……18

CAPITULO 3: CALCULO ESTRUCTURAL DE LA VIGA PRINCIPAL TIPO CAJÓN……………………………………………………………………………..26 3.1.- Calculo y verificación de la estabilidad……………………………..………...34 3.2.- Calculo y verificación de la resistencia mecánica…………………..…………35

CONSIDERACIONES Y RECOMENDACIONES……………………………..36

CONCLUSIONES…………………………………………………………….…...39

II

BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………….………….42

ANEXOS

CAPITULO 1

INTRODUCCION

1.1.- Antecedentes Las naves industriales con puente grúa son edificaciones muy utilizadas en los diferentes sectores de la industria peruana y extranjera como en la minería, en la industria metal mecánica, en la industria siderúrgica y en las diferentes industrias alimenticias. Mediante un puente grúa se puede realizar la carga, descarga y traslado de diferentes materiales y equipos realizando movimientos horizontales y verticales en el espacio interior de la nave. En el sector minero las edificaciones con puente grúa son usadas para la protección de sus grandes instalaciones de las diferentes variaciones de climas y también son usados para los trabajos de montaje y desmontaje de sus equipos para realizar labores de mantenimiento. En la industria metal mecánica donde se producen grandes toneladas métricas (TM) diarias de estructuras, estas edificaciones techadas son importantes porque protege a los trabajadores de los rayos solares que en

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estaciones de verano les generan fatiga y desgano reduciendo la eficacia del trabajador. En invierno en temporadas de lluvia el soldador por motivos de seguridad no realiza soldaduras debido a que se produzca un circuito cerrado entre el material base y el cuerpo húmedo del soldador generándose así tiempos muertos y retrasos en la producción. Cuando el acero está húmedo dificulta la labor del armador o calderero para realizar trazos sobre el acero, de esta manera prolongándose el tiempo de acabado. Para realizar cortes con equipos de oxicorte la superficie del acero ferroso debe estar seco, caso contrario se genera trabajo adicional para el secado y prolongándose el trabajo de corte. Para aumentar la capacidad de producción; reducir los tiempos muertos por las lluvias; por la salud y protección del trabajador; para la protección de los equipos e instalaciones eléctricas y mecánicas se debería realizar el Diseño Sísmico de una Nave Industrial con un Puente Grúa para la industria metal mecánica y posterior a esto su construcción. En este trabajo se realizará el Diseño Sísmico de una Nave Industrial con un Puente Grúa que será usado en la industria metal mecánica, debido al aumento de la demanda en las construcciones de estructuras metálicas.

1.2.- Objetivo El objetivo general es realizar el Diseño Sísmico de una Nave Industrial con un Puente Grúa considerando desplazamientos prudentes para proteger al trabajador y para proteger los equipos e instalaciones eléctricos y mecánicos; el cual será usado para la fabricación de estructuras metálicas. El diseño estará

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

1.3.- Alcance Este trabajo aplicativo final comprende el diseño sísmico de los elementos estructurales de la nave industrial, el cálculo estructural de la viga principal tipo cajón del puente grúa.

1.4.- Definición de nave industrial con puente grúa Nave industrial es aquel “local o cobertizo destinado a almacén o en el que está instalada una industria”. Pero ningún empresario compraría hoy esta aceptación para guardar su negocio, tampoco valdría la de hangar, el hermano mayor de las naves, descrito como “cobertizo para aviones”. Tanto las empresas que desarrollan su actividad en naves –fábricas–,como las que albergan en ellas stocks o sus materias primas para trabajar necesitan espacios acondicionados con unas características propias a su tipo de negocio. En una nave industrial se necesitan grandes claros, a fin de lograr grandes espacios sin existencia de apoyos intermedios, de tal manera que en la nave industrial se pueda operar sin obstáculos ni restricciones, trabajando así  con mucha versatilidad.

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Una nave industrial es fácil y rápida de construir ya que la mayoría de los elementos son prefabricados, se construyen en planta y solo en obra se colocan y se ensamblan, para esto se usan las grúas, las cuales son muy fáciles de mover y rápidamente ponen los prefabricados, por consiguiente se pueden construir estas naves en corto tiempo. Las naves industriales también se caracterizan por su economía, debido al ahorro que se tiene al salvar grandes claros, también porque los elementos que forman las armaduras son ligeros, así como el techo y cerramientos, todo esto ayuda a la economía ya que se construyen estas naves en poco tiempo y con poca mano de obra. La nave industrial se caracteriza porque es un edificio grande, de una sola planta, con el techo alto y sin divisiones, que se usa como fábrica, como granja o como almacén para resolver problemas operacionales de una industria. El puente grúa es un tipo de aparato de elevación y transporte de carga con tres grados de libertad (x,y,z) compuesto por una viga principal simple o doble biapoyada sobre dos vigas carrileras elevados por las columnas de la edificación. El movimiento longitudinal se lleva a cabo mediante la traslación de la viga principal sobre dos carros motorizados (carros testeros) que van instalados en ambos extremos de la viga principal y estos carros ruedan sobre las vigas carrileras elevadas. En su totalidad de los casos, la rodadura es por ruedas metálicas sobre carriles también metálicos.

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El movimiento transversal se realiza mediante el desplazamiento de un carro o trolley sobre dos carriles dispuestos sobre la viga principal. Como en el caso anterior la rodadura es para todos los casos de tipo acero sobre acero. El movimiento vertical se ejecuta a través del mecanismo de elevación: polipasto.

1.4.1.- Componentes de la nave industrial con un puente grúa Se compone de las siguientes partes (Figura 1.1): a). Columna con ménsula b). Viga carrilera c). Pórtico d). Viga principal e). Carros testeros f).Polipasto o mecanismo de elevación y trolley (carro) g). Instalaciones eléctricas del mecanismo de elevación y de l os carros testeros.

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Figura 1.1 Nave industrial con Puente grúa y componentes 1.4.2.- Clasificación de puentes grúa: Según norma europea los puentes grúa se clasifican en cuatro grupos, según el tiempo de funcionamiento, la carga y los choques a que están sometidos. Antes de diseñar un puente grúa, se tendrá que conocer el grupo a que pertenece, para usar en el cálculo el tipo de coeficiente adecuado. Mediante la tabla 1.1 se puede identificar el tipo de puente grúa y conocer a qué grupo pertenece y obtener el coeficiente de compensación ψ.

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Tabla 1.1 Clasificación de Puentes grúa Nº

Tipo de puente grúa

1

Puente grúa con movimiento de traslación a mano.

2

Puentes grúa con movimientos de traslación eléctrico para patios

Grupo I I – II

de almacenamiento.

3

Puentes grúa de poca carga para talleres y almacenes.

II – III

4

Puentes grúa con carga grande para talleres y almacenes

II

5

Puentes grúa para locomotoras.

II

6

Puentes grúa para astilleros.

II – III

Puentes grúa especiales para siderúrgicas

7

Puentes grúa para talleres de fundición.

II – III

8

Puentes grúa para talleres de laminación.

II – IV

9

Puentes grúa para hornos de acero.

III – IV

10

Puentes grúa para hornos de fosa.

III – IV

Según la Asociación Americana de Fabricantes de grúas (CMAA Crane Manufacturers Asociation of America) se ha clasificado los puentes grúa en seis clases, desde el uso esporádico Clase “A”, a la de uso continuo y severo Clase “F”, la mayoría de los puentes grúas de uso industrial son clase “C” o clase “D”. Es una práctica generalizada en la industria de las grúas, cotizar equipos clase “C” a menos que el cliente indique lo contrario.

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Tabla 1.2 Clasificación de grúas CMAA

Regulaciones OSHA Clasificación para intervenciones

Ciclo de de Grúas servicio

Descripción del servicio Inspecciones Mantención

CMAA Mínimas

Preventiva

Servicio no Frecuente o Stand

Manejo de cargas a baja velocidad con intervalos

A

Anual

Cada 6 meses largos entre levantes. No más de 2 levantes a l mes a

by

plena capacidad. Uso periódico liviano y a baja velocidad desde 2 a 5

Servicio Liviano

B

Anual

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

Servicio

Levante desde 5 a 10 por hora c on carga de 50% de

C

Anual

Cada 2 meses

Moderado

la nominal. Levante desde 10 a 20 por hora c on carga

Servicio Pesado

D

2 veces al año

Mensual

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

Servicio Severo

E

3 veces al año 2 veces al mes altas velocidades.

Servicio Continuo

F

3 veces al año

Semanal

Operación continua de levantes.

Severo

Los puentes grúas de clase “C” son diseñados para fabricación de estructuras metálicas livianas, talleres de maquinaria, cargue y descargue de moldes, troqueles o herramientas. Los Puente Grúa clase “D” son diseñados para fundiciones, fabricación de estructuras metálicas pesadas, centros de servicio o ferreterías. Si se diseña una grúa clase “D” para una operación Clase “C” estará

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extendiendo su vida operacional, lo que resultará en un mantenimiento mínimo,

aparentemente

no

tendrá

tiempos

de

parada

y

mejorará

significativamente los márgenes de seguridad. Los puentes grúas de Clase “D” comparadas con las de Clase “C”, están diseñadas para: hacer el doble de levantamiento durante su vida útil y levantar la capacidad nominal con un 30 % más de frecuencia.

Vista de una nave industrial del sector metal mecánico

CAPITULO 2

DISEÑO DE UNA NAVE INDUSTRIAL CON UN PUENTE GRÚA

2.1.- CONSIDERACIONES P ARA EL DISEÑO Es recomendable que como primera etapa del proceso se determinen los criterios de diseño para la estructura, recogiendo las necesidades de cada especialidad.

Es decir, donde se ubicará, las condiciones climáticas,

condiciones de uso y aspecto, cargas propias de instalaciones, y otras necesarias a considerar en el diseño de la estructura:



Ambientales: locación, temperatura, humedad, vientos, lluvia, nieve, suelos, sismología.



Operacionales: dimensiones, pendientes,

alturas de almacenaje, cargas

particulares, planimetría de losas, etc.  

Arquitectura: cerramientos, pisos, etc. Acústicos y térmicos: aislamientos para cumplir con ECA y temperaturas de confort.



Instalaciones

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    

Sanitarias: agua, desagüe, sistemas contra incendios, etc. Eléctricas: luminarias, bandejas, SSEE, etc. Mecánicas: puente grúa, equipos HVAC, montacargas, etc. Otros: alarma, detectores, megafonía, etc.

También definir el tipo de nave y tipo de puente grúa que necesita el cliente y que cumpla las necesidades de servicio.



Tener bien claro las dimensiones exactas de la nave donde será instalado el puente grúa para definir la longitud de la viga principal,



Considerar los elementos principales de seguridad en el diseño de puentes grúa; para las operaciones de mantenimiento barandillas, escaleras de acceso y pasarelas adecuadas.

2.2.-ELEMENTOS DE ENTRADA PARA EL DISEÑO Esta nave será instalada en un parque industrial de Lima. Dimensiones de la nave con puente grúa: 

luz: 20,0 m



longitud: 66,0 m



altura de techo más bajo: 11,5 m



inclinación de techo: 11,3°



separación entre columnas: 6,0 m



capacidad de puente grúa: 10,0 TM



altura de izaje: 9,5 m

Material de las estructuras: acero estructural ASTM A-36 

Esfuerzo a la fluencia. Fy = 36 Ksi =25,3 Kg/mm2;



Esfuerzo a la tracción: Fu = 58 Ksi = 40,76 Kg/mm2;



Modulo de elasticidad: E = 29000 Ksi = 21000 Kg/mm2;



Poisson’s ratio: 0,3.

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Normas a emplearse para el diseño: 

E.020 Cargas



E.030 Diseño sismo resistente



E.090 Estructuras metálicas



Como apoyo, la norma de Diseño Sísmico de Estructuras e Instalaciones Industriales NCh2369of.2003.



Conjuntamente con el Euro Código EC3.



Manual AISC

Cargas a considerar: 

Carga viva (L): carga nominal del puente grúa (10 TM), carga del carro y polipasto (1,0 TM); también se considera un peso de 30 Kg/m2 sobre el techo (considerando techo liviano).



Carga muerta (D): Peso propio de las estructuras, correas de techo (6,5 TM) y cerramientos de techo (4 Kg/m2).



Carga de viento (W): Para este diseño no se consideró la fuerza de viento, no existiendo en la ciudad de lima vientos considerables, siendo preponderante el análisis sísmico.



Carga sísmica (Q): El diseño sísmico se hará mediante un análisis dinámico por combinación modal espectral, de acuerdo a las condiciones del sitio, donde se considerará una masa de 50% de la carga viva.



Cargas de impacto ocasionados por el puente grúa: adicionar 10% a la carga nominal.

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

Fuerza horizontal en puente grúa: en dirección al eje y considerar 20% de la carga nominal y del peso del polipasto ( 2,2 TM).



Fuerza longitudinal en puente grúa: mínimo 10% de la carga nominal y el peso del polipasto (1,1 TM).

Combinación de cargas según el método LRFD:      

C1: 1,4D C2: 1,2D + 1,6L C3:1,2D + (0,5L ó 0,8W) C4:1,2D + 1,3W C5: 1,2D +/- 1E + 0,5L C6: 0,9D +/- (1,3W ó 1,0E)

Parámetros de sitio:   

Lima está situado en la zona 3 (Z=0,4). Tipo de suelo S2 (S=1,2; Tp=0,6) Factor de amplificación sísmica: C=2,5(Tp/T); C