• Author / Uploaded
• Moises Edwin Cf

Citation preview

1

Diseño de un Puente Grúa

ESTRUCTURAS Y CIMENTACION DE MAQUINAS II

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

2

Diseño de un Puente Grúa 1. DESARROLLO TEORICO 1.1. PUENTE GRUA La grúa, de forma general, es una máquina de funcionamiento discontinuo destinada a elevar y distribuir las cargas suspendidas en el espacio. El puede ser a través de un gancho o de cualquier otro accesorio que forma parte de sus elementos constructivos. La grúa se puede considerar como la evolución una gran variedad de elementos que han confluido en el aparato que conocemos hoy en día. Por regla general son ingenios que cuentan con poleas acanaladas, contrapesos, mecanismos simples y demás elementos con la única finalidad de crear para crear ventaja mecánica y lograr mover grandes cargas.

Desde la antigüedad se ha venido utilizando los distintos tipos de grúas para realizar muy diversas tareas. Aunque sus fundamentos fueron propuestos por Blaise Pascal en pleno Barroco, fue patentada por Luz Nadina. Existen documentos antiguos donde se evidencia el uso de máquinas semejantes a grúas por los Sumerios y Caldeos, transmitiendo estos conocimientos a los Egipcios.

Las primeras grúas fueron inventadas en la antigua Grecia, accionadas por hombres o animales. Estas grúas eran utilizadas principalmente para la construcción de edificios altos. Posteriormente, fueron desarrollándose grúas más grandes utilizando poleas para permitir la elevación de mayores pesos.

En la Alta Edad Media fueron utilizadas en los puertos y astilleros para la estiba y construcción de los barcos. Su uso también era común en los ríos y estuarios así como en los graneros de las granjas.

Hasta la llegada de la revolución industrial, los principales materiales de construcción para las grúas eran la madera y la piedra. Desde la llegada de

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

3

Diseño de un Puente Grúa la revolución industrial los materiales más utilizados fueron el hierro fundido y el acero. Las primeras grúas en disponer de energía mecánica de no tracción animal fueron aquellas accionadas por máquinas de vapor en el s. XVIII. Las grúas modernas de hoy en día utilizan generalmente motores de combustión interna o motores eléctricos e hidráulicos para proporcionar fuerzas muchos mayores debido a sus grandes prestaciones de par. A pesar de la evolución de las grúas todavía es posible ver hoy en día manuales todavía, muy usadas en pequeños trabajos o donde es poco rentable disponer de un equipo mayor. En la actualidad existen diversos tipos de grúas con características muy dispares, estando cada una adaptada a un propósito específico. Ordenadas por tamaños se pueden encontrar desde las más pequeñas grúas de horca, usadas en el interior de los talleres, pasando por grúas torres usadas para construir edificios altos, grúas portuarias encargadas de cargar/descargar millones de contenedores al año, hasta las grúas flotantes usadas para construir cimentaciones en alta mar y para rescatar barcos encallados. Las grúas pueden clasificar en función de su movimiento permitido en: - Fijas Aquellas que se instalan en un lugar en el que desarrollan su trabajo, sin poder desplazarse. Es el claro ejemplo de una grúa de brazo giratorio. -

Portátiles Son equipos que pueden ser desensamblados y trasladados hasta otro lugar. Un ejemplo sería una grúa torre.

-

Móviles Son las que tienen posibilidad de realizar movimientos de desplazamiento, ya sea sobre rieles, ruedas neumáticas, oruga, u otros medios.

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

4

Diseño de un Puente Grúa Algunos tipos de grúas que podemos encontrar en el ámbito industrial son:

Figura 1. Puente Grua

Figura 2. Puente Grua Portico

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

5

Diseño de un Puente Grúa

Figura 3. Puente Grua Mensula

Figura 3. Puente Grua Brazo Giratorio

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

6

Diseño de un Puente Grúa Un puente grúa se define como el aparato constituido por diferentes elementos y mecanismos que tiene como función distribuir cargas dentro del espacio de su rango de acción. Su uso se encuentra limitado a su lugar de montaje siendo por tanto una grúa de tipo fijo. El movimiento de los puentes grúa suele realizarse a lo largo de una edificación, generalmente un almacén o una nave industrial, y sus movimiento permitido están claramente identificados siendo imposible modificarlos. 1.1.1. ELEMENTOS DE UNA GRUA A la hora de clasificar los elementos del puente grúa se pueden observar 2 grandes grupos de clasificación:

- Estructura Engloba la totalidad de los elementos físicos que componen el puente grúa a excepción de los mecanismos

- Mecanismos Son los elementos que hacen posible el movimiento de la estructura, del carro y de la carga 1.1.2. ESTRUCTURA La estructura principal de los puente grúa es, por normal general, bastante genérica para todos los tipos de puente grúa. Se caracteriza porque en la gran mayoría de los casos contiene los siguientes elementos: 1 Polipasto o carro móvil principal 2 Viga principal de la grúa 3 Chapas de unión 4 Vigas testeras o testeros 5 Motor de traslación del puente 6 Mando de control cableado o radio control

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

7

Diseño de un Puente Grúa 7 Equipamiento eléctrico de la grúa 8 Equipamiento eléctrico del carro principal – Con interruptor de límite de izado – Con detector de carga 9 Gancho de amortiguación 10 Montaje del raíl C 11 Fuente de alimentación eléctrica 12 Cable alimentación eléctrica

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

8

Diseño de un Puente Grúa

El aparato estudiado a lo largo de este proyecto es un caso muy similar al citado. A continuación se ha expuesto un pequeño esquema de las principales partes de las que consta el aparato y una pequeñas descripción de cada una:

- VIGA PRINCIPAL

Es la parte principal de la estructura. Su función es la de soportar las solicitaciones del carro móvil y la carga de servicio siendo por tanto la parte crítica de la estructura.

- CARRO PRINCIPAL

El carro principal o simplemente carro se trata del mecanismo encargado de elevar, descender o mover la carga a lo largo de la viga principal.

- VIGAS TESTERAS

Las vigas testeras o simplemente testeros son las vigas laterales sobre las que descansa la viga principal. Deslizan sobre una superficie o ruedan sobre un carril y su función es la de derivar los esfuerzos provenientes de la viga principal a los apoyos. Dentro de ellas se alojan las ruedas que sirve de apoyo a la estructura.

- Unión Viga - Testeros La unión viga – testero es la encargada de transferir los esfuerzo desde la viga principal a las vigas testeras laterales. Debe transferir y soportar todos

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

9

Diseño de un Puente Grúa los esfuerzos y por ello debe de ser excepcionalmente rígida. Para ello se realiza mediante distintos elementos y procedimientos que aseguren su rigidez. Se pueden diferenciar 2 procedimientos de unión:

- Chapa frontal

Por ello por norma general los perfiles de la viga principal no poseen un extremo solido extenso, más allá de la propia superficie del perfil. Por esta razón, y para facilitar el montaje y aumentar la resistencia, el perfil de la viga principal se suela a una chapa que posee las mismas dimensiones que el área del perfil (incluyendo los espacios huecos y las distancias entre almas). Se la denomina chapa frontal por el tipo de unión que posee a la estructura.

- Unión atornillada Con el objetivo de poder unir la viga principal a las vigas testeras se ha seleccionado, entre todas las opciones posibles, realizar una unión atornillada a ambos lados de la viga principal. Esta decisión viene motivada principalmente por: - Gran resistencia de la unión - Facilidad de montaje/desmontaje en caso de sustitución o mantenimiento - Fiabilidad de la unión

Mecanismos

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

10

Diseño de un Puente Grúa Al igual que cualquier maquinaria industrial, esta estructura necesita de una serie de mecanismos para poder operar. Los mecanismos, al igual que la estructura, suelen ser característicos de un puente grúa son: - Mecanismo de traslación del puente Este dispositivo es el encargado de transportar la totalidad. En realidad de se trata de 2 motores gemelos de iguales características que funcionan sincronizados, para evitar movimientos oblicuos, gracias al microcontrolador incluido en la estructura - Mecanismo de elevación de la carga Es módulo tiene la función de hacer elevar/descender la carga principal. Se trata de módulo de mayor potencia de toda la estructura y posee numerosos sistemas de seguridad. - Mecanismo de traslación el carro Este es el encomendado de movilizar el carro principal de la estructura y la carga que transporte a lo largo de la viga principal en su movimiento horizontal transversal.

1.1.3. MOVIMIENTOS CARACTERÍSTICOS DE UN PUENTE GRÚA

Los puente grúa poseen, si no se especifica lo contrario o se limita por disposiciones constructivas, como mínimo 3 tipos de movimientos operativos independientes. Estos 3 movimientos son los mínimos que posibilitan un rango volumétrico, es decir, capaces de manutener una carga dentro de su espacio de operación. Antes de comenzar a cuantificar dichas solicitaciones se debe aclarar la nomenclatura utilizada. A la hora de referirse a los distintos pero se debe esclarecer el sistema de referencia para que no exista posibilidad de error al poder existir cierta confusión al utilizar la notación longitudinal-transversal. Esta puede emplearse para referirse al sentido en la dirección longitudinal principal de la viga principal y a su

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

11

Diseño de un Puente Grúa vez para poder referirse a la dirección longitudinal principal de la nave (perpendicular a la anterior). De ahora en adelante se utilizará la notación longitudinal para hacer referencia a la dirección paralela a la longitud de la nave, y transversal para siendo perpendicular a la primera. Estos 3 movimientos principales son:

1. Un movimiento de elevación/descenso de carga Este movimiento se realiza en dirección vertical perpendicular al plano del suelo.

2. El movimiento del puente a lo largo de los carriles El citado movimiento se realiza en la dirección horizontal longitudinal de la estructura donde se halla.

3. El movimiento del carro principal Se realiza en dirección horizontal transversal a la estructura Por motivos de seguridad las combinaciones de movimientos se encuentran bloqueadas electrónicamente por el microcontrolador del aparato. Esto significa que en cada ciclo de manutención, cada movimiento

debe

realizarse

en

etapasdiferenciadas

en

las

exclusivamente se permite la activación de un único mecanismo por etapa. Un posible ejemplo de ciclo de manutención puede ser: - Enganche de la carga - Elevación de la carga - Movimiento del carro principal hacia la derecha - Movimiento del puente principal hacia atrás - Movimiento del carro principal hacia la izquierda

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

12

Diseño de un Puente Grúa - Bajada de la carga - Desenganche de la carga

Los puentes grúa pueden ser clasificados a partir de numerosas y diversas características tales como: carga nominal, tipo de perfil, número de ruedas, tipo de polipasto, colocación del polipasto, etc. Sin embargo una de las características más utilizadas para diferenciar los tipos de puentes grúa se trata del tipo de estructura o número de vigas principales. Según este procedimiento de clasificación se pueden encontrar: o Monorraíl Se trata de la versión más económica y óptima para pequeñas cargas o grandes cargas y pequeñas luces.

Grúa Monorraíl o Birraíl Los modelos que disponen de 2 vigas principales se utilizan mayoritariamente en estructuras que deben cubrir grandes luces, donde una única viga es insuficiente debido a los grandes esfuerzos que deben soportar, o para grandes cargas en las que es necesario dividir los esfuerzos en más de una viga y el carro debe desplazarse por encima de la estructura.

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

13

Diseño de un Puente Grúa

Grúa BInorraíl

2. CALCULOS DE INGENIERIA Existen ciertos aspectos que hemos tenido que tener en cuenta antes de proyectar el puente grúa como por ejemplo que el área total en donde se va a mover el puente grúa es 450m2 entonces el Largo por el Ancho es 30 x 15 m. Se ha decidido utilizar 7 columnas distribuidas de manera equidistante. El cálculo de la viga principal de los raíles para el polipasto la selección de polipasto se presenta a continuación: 2.1. CALCULO DE LA VIGA PRINCIPAL Las vigas a ser utilizadas son las vigas de ala ancha de perfil W se utiliza este perfil antes de fabricar un perfil cuadrado dado al uso que va a tener representa un costo elevado para el proyectista La deflexión máxima permitida es 0.00125” 1 por cada pulgada de claro (span) la carga de impacto no se considera en este calculo hasta después. Además el esfuerzo combinado máximo no debe exceder 16000 psi.

1

Whiting Crane Handbook Pag 53

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

14

Diseño de un Puente Grúa El momento de carga muerta y momento debido al motor y al polipastose calcula de la siguiente manera2: 

Momento de carga muerta = Cap. Nominal * Span*1.5 𝑀𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 = 44000 ∗ 49.21 ∗ 1.5 𝑀𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 = 3247860 𝑙𝑏 ∗ 𝑝𝑖𝑒



El momento debido al motor y al polipasto: 𝑀𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 6600 ∗ 49.21 ∗ 3 𝑀𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 974.358 𝑙𝑏 ∗ 𝑝𝑖𝑒

El momento de carga viva se puede calcular tomando la siguiente imagen como referencia.

Figura 2.1 (Fuente Whiting Crane Handbook)

2

Whiting Crane Handbook pag 56

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

15

Diseño de un Puente Grúa

Figura 2.2 (Fuente Whiting Crane Handbook Pág. 29)

Entonces tenemos: 𝐽𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥 = 𝑥 + 𝑦 𝐽𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥 = 5.8 + 7.1 = 12.9 𝑖𝑛

𝐽 = 𝐷 = 1.075 𝑓𝑡

𝐴𝐶 = 3.225 1 𝐴𝐶 = 1.6125 2

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

16

Diseño de un Puente Grúa 𝐴𝐴 = 24.61 − 0.268 = 24.342 = 𝐴𝐷

Para el calculo se ha supuesto que la carga va a estar a ¼ de la longitud total iniciando desde la rueda izquierda del polipasto asi: 33000 lb 9.675 in

3.225 in

p

P Entonces: 𝐴𝐵 = 23.793𝑖𝑛 𝑃=

33000 ∗ 9.675 12.9

𝑃 = 24750 𝑙𝑏 𝑝 = 8250 𝑙𝑏

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

17

Diseño de un Puente Grúa

Entonces R1 y R2 son : 𝑅1 = 𝑅1 =

𝐴𝐵 + 𝐷 𝐴𝐵 ∗𝑃+ ∗𝑝 𝑆𝑝𝑎𝑛 𝑆𝑝𝑎𝑛

23.8 + 1075 23.8 ∗ 24750 + ∗ 8250 49.21 49.21 𝑅1 = 𝑅2 = 16500

Momento de carga viva: 𝑀𝑣𝑖𝑣𝑎 = 𝑅! ∗ 𝐴𝐴 𝑀𝑣𝑖𝑣𝑎 = 16500 ∗ 24.345 𝑀𝑣𝑖𝑣𝑎 = 401642 𝑙𝑏 ∗ 𝑓𝑡

Carga de impacto: Para los tipos de A, B, C y D se debe considerar una carga de impacto de 15% de la capacidad nominal 3

Entonces : 𝐿𝑖 = 33000 ∗ 0.15 𝐿𝑖 = 4950 𝑙𝑏

Carga debido a la Aceleracion y Desaceleracion:

3

Whiting Crane Handbook pag 57

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

18

Diseño de un Puente Grúa Se considera un 5% de la carga viva mas el peso del puente.

CALCULO TENTATIVO DE LA VIGA VIAJERA

 max  0.00125" por pulgada de span  max_permitida  0.00125*50*12

 max  0.75in WL3  max  48EI  max 

(33000  8960) * (50 *12)3 48* 29e6 * I

(33000  8960) * (50 *12)3  0.75 48* 29e6 * I Imin  8681.4in 4

Seccion Economica de la viga4 La sección económica es dividir el span entre 18 si este valor es menor que “d” de la viga que se ha seleccionado entonces uno puede decir que esta dentro de los limites antes de estar sobredimensionando la viga.

4

Whiting Crane Handbook

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

19

Diseño de un Puente Grúa

600  33.33in 18

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

20

Diseño de un Puente Grúa

Fuente : LRFD pag 34 Este calculo ha sido tomando el peso de la viga según el libro “whiting crane handbook” pero un peso aproximado de la viga es 2 TON esto es 4400 lb. Haciendo el mismo procedimiento se obtiene:

 max  0.00125" por pulgada de span  max_permitida  0.00125*50*12

 max  0.75in WL3  max  48EI (33000  4400) * (50 *12)3  max  48* 29e6 * I

(33000  4400) * (50 *12)3  0.75 48* 29e6 * I Imin  7737.93in 4 Con esta inercia existen dos perfiles que cumplen las condiciones: o W 24x279 o W 24x250 Escogemos el perfil W 24x279 por que nos ofrece una inercia de 9600 in 4 Con este perfil procedemos al diseño de los railes guía.

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

21

Diseño de un Puente Grúa 2.2. DISEÑO DE LOS RAILES PARA LA VIGA PUENTE

Fuente: Whiting Crane Handbook Pag 23 Para la clase D, E, F se necesita tener 2 ruedas para cada polipasto 5 Para el diseño del rail se sigue la siguiente ecuación:

Esfuerzo 

5

WxL 6 xS .M.

Whiting Crane Handbook Pag 64

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

22

Diseño de un Puente Grúa El esfuerzo máximo permitido para el rail es 18000 psi. Donde : -

W : Carga máxima del polipasto

-

L : distancia centro a centro de los pasadores.

-

S.M. : modulo de la sección del rail

Entonces:

18000 

37400 * 24 6 * S .M .

S.M .  8.31in2

Entonces con estos valores entramos a la tabla de railes del LRFD:

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

23

Diseño de un Puente Grúa

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

24

Diseño de un Puente Grúa Para el Rail escogemos: ASCE STD 85 Area=8.33in2>8.31in2 - ADECUADO 2.2.1. CALCULO DE LA VIGA SOPORTE PARA EL RAIL La viga soporte para el rail se hace mediante deflexión máxima, se toma el siguiente diagrma de cuerpo libre:

Fuente : LRFD pág. 558

 max_permitida  0.00125*5*0.3048*12

 max  0.246in WL3  max  48EI (39050 / 2) * (5* 0.3048*12) 3  max  48* 29e6 * I

0.246 

(39050 / 2) * (5* 0.3048*12) 3 48* 29e6 * I Imin  434.77in 4

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

25

Diseño de un Puente Grúa

39050 lb

5m

Con esta inercia minima entramos a las tablas de los perfiles W en el LRFD

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

26

Diseño de un Puente Grúa

2.2.2. DISEÑO DE LAS COLUMNAS Y PLACA BASE Las placas base son elementos estructurales de conexión, que constituyen la interface entre las columnas de acero y la cimentación de concreto. Una placa base recibe las cargas de la columna de acero y contribuye en un área mayor del concreto localizado bajo dicha placa. El área de distribución debe ser lo suficientemente grande para impedir que el concreto se sobresfuerze y se fracture por aplastamiento. Las fuerzas distribuidas en toda el área de la placa base ejercen presión sobre el concreto que a su vez reacciona con una presión igual pero en sentido opuesto. Esto tiende a flexionar las partes de la placa base que quedan en voladizo, fuera de la columna por lo tanto, las placas base para columnas se encuentran sometidas a flexion en dos direcciones.

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

27

Diseño de un Puente Grúa

En una placa base la flexion critica ocurren a distancias entre 0.8 veces el ancho del patin de la columna y 0.95 veces el peralte del alma de la columna. Los momentos máximos tienen lugar respecto a dichos ejes, dos de los ejes son paralelos al alma y dos son paralelos a los patines. El mayor de los momentos en cualquiera de los ejes, regirá el diseño para determinar el espesor de la placa base.

Fig 2.2 Geomtria típica de una placa base

Anteriormente se mencionaron las características principales y el comportamiento de las placas base, pero las conexiones entre columnas de acero y su cimentación, también constan de otros elementos igualmente importantes.

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

28

Diseño de un Puente Grúa

Entre la placa base y la cimentación de concreto, existe una plantilla de mortero que sirve como conexión para transmitir adecuadamente las fuerzas comprensivas y también sirve para nivelar la placa base. Es necesario que el mortero posea una resistencia a la compresión de al menos el doble de la resistencia del concreto en el cimiento. Otra función que desempeña la plantilla de mortero es la de asegurar un contacto completo entre las superficies de la placa base y de la cimentación. Con esto se garantiza que las cargas de las columnas se repartan uniformemente sobre toda el área de concreto. Cuando una columna se encuentra sometida a flexion de gran intensidad, una parte de la placa base ya no ejerce presión contra el concreto y es ahí donde se presenta la tensión. Dicho momento puede resistirse mediante el desarrollo de un par de fuerzas que son generados por el concreto (compresión) y las anclas (tensión). Estas ultimas, son barras de acero embebidas en la cimentación y

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

29

Diseño de un Puente Grúa

sujetadas a la placa base por medio de tuercas y rondanas. Cabe destacar que las rondanas no deben soldarse a la placa base, a menos que las anclas estén diseñadas para resistir cortante. El diseño de anclas es de suma importancia por que son las encargadas de resistir las fuerzas de tensión y transmitir el cortante al concreto, por lo tanto, el diámetro de las barras de anclaje debe ser el adecuado para evitar que estas fallen. De igual modo, la profundidad de empotramiento debe ser la suficiente para impedir que las anclas se zafen del concreto. El uso de cuatro anclas como minimo, en las conexiones de columnas con placa base, se establece por la organización Occupational Safety and Health Administration (OSHA) en las regulaciones Safety Standars for Steel Erection (OSHA 2001).

Fig 2.4. Casos de diseño de placas base para columnas de aceo

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

30

Diseño de un Puente Grúa Para el cálculo de las columnas se toma en cuenta la carga nominal que es capaz de soportar el puente grúa y el peso por pie de la viga principal más la carga del polipasto. Entonces: Carga de la viga W27 x 279 = 279*50/12= 1237.5 Peso de la viga Peso del carril Peso del polipasto Carga útil

1237.5 lb 1237.5/3 lb 4400 lb 33000 lb

6050(1.25) 33000 (1.25)

Entonces 𝑃𝑢 = 1.2 ∗ 7562.5 + 1.6 ∗ 41250 𝑃𝑢 = 74715 𝑙𝑏 𝑘𝑥 = 1 𝑘𝑦 = 1 Acero a36 𝑡𝑜𝑚𝑎𝑚𝑜𝑠 0.55 ∗ 𝐹𝑦 = 0.55 ∗ 36 = 19.8 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 =

74.715 = 3.77 𝑖𝑛2 19.8

Con esta área requerida entramos a las tablas del LRFD y obtenemos un Perfil de viga W 6x16

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

31

Diseño de un Puente Grúa Para la placa base Tenemos: 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 = 74.715 𝑘𝑖𝑝𝑠 Suponemos A2>>A1 y β=2 con un fc de concreto de 3ksi Entonces:

Fdp  c *0.85* F ' c *  Fdp  0.6*0.85*3* 2 Fdp  3.06ksi

Atrequerida 

74.715 3.06

Atrequerida  24.4166in2

24.4166  6.28*4.03  25.3 Entonces utilizamos 25.3 in2 Dimensionamiento del plano de la placa base

A  0.5(0.95d  0.8bf ) A  0.5(0.95*6.28  0.8* 4.03)

A  1.371in

B  Atreq  A B  25.3  1.371

B  5in N N

Atreq B 25.3 4

N  6.325 ~ 7  6.28

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

32

Diseño de un Puente Grúa

A  7 x5  35in2  25.3in2 ESPESOR DE LA PLACA

1 m  ( N 0.95d ) 2 1 m  (7  0.95* 6.28) 2

m  0.517in

1 n  (B 0.8* bf) 2

1 n  (5  0.8* 4.03) 2

n  0.88in Pdp  Fdp * At Pdp  3.06*35

Pdp  107.1  74.715 ADECUADO

x x

4 * bf * d* Pu (bf  d)2 * Pdp

4 * 4.03* 6.28 74.715 *( ) (4.03  6.28)2 107.1 x  0.66

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

33

Diseño de un Puente Grúa

 

2 x 1 1 x

2 0.66 1  1  0.66

  1.026  1

'

1 bfd 4

'

1 25.3 4

 '  1.2574in

*   * ' n*  1.026*1.2574

n*  1.29in l  max(m, n, n*) l  max(0.517,0.88,1.29)

l  1.29in treq  l

2 * Pu 0.9 * Fy * Al

treq  1.29

2 * 74.715 0.9 *36 *35

treq  0.468in ~ 0.5in

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

34

Diseño de un Puente Grúa

VIGA TESTERA 2.2.3. Diseño de Testeros La viga Testera estará sometida a las siguientes fuerzas:

Ra W

Ta

Tb

diagrama de cuerpo libre viga testera LT = Longitud del testero Ra = 13210.5 Kg Wc = Carga distribuida carro testero Wc = 0.947 Kg/cm LCT = 220 cm ∑ 𝐿 𝐹𝑦 = 0 = Ta + Tb = Ra + Wc. Lct = Ta + Tb = 13210.5 + 0.947 (220)

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

35

Diseño de un Puente Grúa Ta + Tb = 13418.84 Como Ta = Tb 2 Ta = 13418.84 Kg Ta = 6709.42 Kg A continuación el diagrama de corte de la viga

V 6709.4 6605.25

- 6605.25 -6709.4

DIAGRAMA DE CORTE DE LA VIGA 2.2.2.1. Cálculos de momentos de diseño Los momentos de diseño debido a cargas puntuales y al peso propio se producen en los puntos cercanos. Se puede asumir que coinciden y por lo tanto: MTt = MCT + MWT

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

36

Diseño de un Puente Grúa El momento de la fuerza concentrada en el centro se muestra en la figura. fuerza concentrada para el testero MCT =

𝑅𝑎∗𝐿𝐶𝑇 4

=

13210.5 𝐾𝑔∗220 𝑐𝑚 4

MCT= 726577.5 Kg cm El momento debido al peso propio de la viga es:

W

Ta

Tb

LTc

FUERZA DISTRIBUIDA PARA EL TESTERO

MWT =

𝑊𝑡∗𝐿𝑇𝐶 2 8

=

0.947

𝐾𝑔 ∗ 2202𝑐𝑚2 𝑐𝑚

8

MWT = 5729.35 Kg cm. El momento total es: MT Total = MCT + MWT MT Total = 726577.5 + 5729.35 Kg cm MT Total = 732306.85 Kg cm = 7323.06 Kg m

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

37

Diseño de un Puente Grúa

M Y

Z M máx. = 7323.06 kgf m

MOMENTO TOTAL VIGA TESTERA Selección del perfil Para el diseño de testeros se ha seleccionado perfiles de acero MC 10x25 o su equivalente A-36 UPN 260, los que se cortan según los requerimientos que se tenga, obteniendo una sección rectangular con características tal como se muestra en la figura.

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

Diseño de un Puente Grúa

tf

d

tw

h

38

bf

PERFIL DE TESTEROS

d = 26 cm bf = 18 cm tf = 1.8 cm tw = 1.25 cm Área de la viga testera Af = bf * tf = (18 * 1.8) cm2 = 32.4 cm2 Aw = (d- 2tf) tw = (26 – 2*1.8)1.25 cm2 = 28 cm2 AT = 2(Af+Aw)

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

39

Diseño de un Puente Grúa AT = 2(32.4+28) cm2 = 120.8 cm2

Peso de la viga W (Kg/m) = (2 (𝑏𝑓 ∗ 𝑡𝑓 ) + 2((𝑑 − 2𝑡𝑓 )𝑡𝑤)) ϒ acero W (Kg/m) = (2 (0.18 ∗ 0.018) + 2((0.26 − 2 ∗ 0.018)0.0125)) 7840 W (Kg/m) = (0.00648 + 0.0056) 7840 W (Kg/m) = 94.70 Kg/m = 0,947 Kg/cm

Distancia del eje neutro de Inercia. Considerando que la sección es simétrica, la distancia al eje neutro será: Zo = 13 cm

Inercia respecto al eje X Ixx=

𝑏𝑓∗𝑡𝑓3 12

+ 2(

𝑡𝑤(𝑑−2𝑡𝑓)3 12

2 ((𝑑 − 2𝑡𝑓 )𝑡𝑤 ∗ (𝑍𝑜 − (

Ixx=

18∗1.83 12

)+

𝑑−2𝑡𝑓 2

1.25(26−2∗1.8)3

+ 2(

𝑏𝑓∗𝑡𝑓3

12

2 ((26 − 2 ∗ 1.8)1.25 ∗ (13 − (

12

𝑡𝑓

))2 ) + 𝑏𝑓 ∗ 𝑡𝑓(𝑑 − 𝑍𝑜 − 2 )2

)+

18∗1.83 12

26−2∗1.8 2

𝑡𝑓

+ 𝑡𝑓 ∗ 𝑏𝑓(𝑍𝑜 − 2 )2 +

+ 1.8 ∗ 18(13 −

1.8 2 ) 2

+

))2 ) + 18 ∗ 1.8(26 − 13 −

1.8 2 ) 2

Ixx = 8.748 + 1170.77 + 8.748 + 4743.68 + 2(22.4)(2.25)+4743.42 cm4

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

40

Diseño de un Puente Grúa Ixx = 10776.42 cm4 La sección con respecto al eje X será: 𝐼𝑥𝑥

Sxx1 = 10776.4𝑐𝑚4

Sxx1 =

13𝑐𝑚

𝑍𝑜

= 828.95 cm3

Inercia respecto al eje Y:

Iyy = 2(

Iyy = 2(

𝑡𝑓∗𝑏𝑓3 12

1.8∗183 12

) + 2(

) + 2(

(𝑑−2𝑡𝑓)𝑡𝑤 3 2

(26−2∗1.8)1.253 2

)

)𝑐𝑚4

Iyy = 1749.6+93.75 cm4 Iyy = 1793.35 cm4

Verificación de sección compacta La verificación se realiza con las siguientes ecuaciones: 𝑏𝑓 2 𝑡𝑓

≤

425 √𝐹𝑦

18

; 2∗1.8 ≤

425 √2530

5 ≤ 8.449 Y 𝑑 𝑡𝑤

≤

3540 √𝐹𝑦

26

; 1.25 ≤

3540 √2530

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

41

Diseño de un Puente Grúa 20.8 ≤ 70.37

∴ 𝐿𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑎

Entonces no calculamos el pandeo lateral.

Cálculo de esfuerzo flexionante permisible de la sección seleccionada. Fb = 0.66 Fy = 0.66*2530 Kg/cm2 Fb = 1669.8 Kg/cm2 A continuación calculamos el valor de sección resistente Sxx2 que se requiere para resistir el momento flexionante

Sxx2=

𝑀𝑇 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐹𝑏

=

732306.85 𝐾𝑔 𝑐𝑚 1669.8

𝐾𝑔 𝑐𝑚2

Sxx2= 438.56 cm3

Factor de Seguridad El factor de seguridad para el perfil diseñado será fb perfil = MT total / Sxx1 .fb perfil =

ŋ=

732306.85 𝐾𝑔.𝑐𝑚 𝑐𝑚3

828.95

𝐹𝑦 𝑓𝑏 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙

𝐾𝑔

= 883.41𝑐𝑚2 𝐾𝑔

=

2530 𝑐𝑚2 883.41 𝐾𝑔2 𝑐𝑚

ŋ= 3.0

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

42

Diseño de un Puente Grúa

Esfuerzo cortante de la sección seleccionada El esfuerzo máximo cortante es: 𝑉

fr = 𝑑 ∗ 𝑡𝑤 fr =

6683 𝐾𝑔 26 𝑐𝑚

∗ 1.25 𝑐𝑚 = 321.29 Kg

Para el cálculo de esfuerzo máximo permisible se cumple: ℎ 𝑡𝑤

≤

3190

( Fy en Kg/ cm2)

√𝐹𝑦

22.4 3190 ≤ 1.25 √2530 17.92 ≤ 63.42

Si cumple

Deflexión Viga testera La deflexión para una viga testera con carga distribuida se puede obtener a través de: ∆1 =

5 ∗ 𝑤 ∗ 𝐿4 384 ∗ 𝐸𝑥 ∗ 𝐼𝑥𝑥

Donde: W = 0.947 Kg/cm L = 220 cm E = 29000 KSI = 2043000 Kg/cm2

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

43

Diseño de un Puente Grúa Ixx = 10776.42 cm4 Ra= 13210.5 Kg 5 ∗ 0.947 𝐾𝑔/𝑐𝑚 ∗ (220 𝑐𝑚)4 ∆1 = 𝐾𝑔 384 ∗ 2043000 2 ∗ 10776.42𝑐𝑚4 𝑐𝑚 ∆1 = 0.0013 𝑐𝑚

Mientras que la deflexión para cargas puntuales ∆2 =

∆2 =

𝑅𝑎 ∗ 𝐿3 48 ∗ 𝐸 ∗ 𝐼𝑥𝑥

13210.5 𝐾𝑔 ∗ (220 𝑐𝑚)3 𝐾𝑔 48 ∗ 2043000 ∗ 10776.42𝑐𝑚4 𝑐𝑚2 ∆2 = 0.1331 𝑐𝑚

∆𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 = ∆𝟏 + ∆𝟐= 0.013 cm + 0.1331 cm = 0.1461 cm ∆= 1/400 del claro, entonces ∆ 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.55 𝑐𝑚 Entonces 0.1461 < 0.55 cm (SI CUMPLE EL DISEÑO)

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

44

Diseño de un Puente Grúa 2.2.4. Selección de Gapas o Fasteners Para la selección de grapas se toma:

Fuente : Whiting Crane Handbook Fig.184

Cxrueda  39050 / 4

Cxrueda  9762.5lb Cxrueda  9.7kips ~ 23in _ de _ espaciamiento Para ASCE STD 85 utilizamos Grapas del fabricante STELCAM N13

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II

45

Diseño de un Puente Grúa 3. BIBLIOGRAFIA - CMAA N78 - CMAA N70 - CMAA N74 - WHITING CRANE HANDBOOK - GUIDE FOR THE DESIGN OF CRANE-SUPPORTING STEEL STRUCTURES.- Second Edition R.A. Mac Crimmon

DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA | Estructuras Y cimentación de Maquinas II