diseño de puente grua de 25 toneladas

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 UNA EMPRESA

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 UNA EMPRESA

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]

mailto:[email protected]






APROBACIÓN

Este jurado aprueba el Trabajo Especial de Grado: “REDISEÑO DE UN SISTEMA

GRÚA PUENTE PARA UNA EMPRESA 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 Ingeniería 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 Mariangelica 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 INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………. 18 CAPÍTULO I: EL PROBLEMA………………………………………………………. 20 1.1 Planteamiento y Formulación del Problema……………………………...……. 21 1.2 Objetivos de la Investigación……………………………………………….……. 23

1.2.1. Objetivo General……………………………………………………….. 23 1.2.2. Objetivos Específicos…………………………………………............. 23

1.3 Justificación de la Investigación…………………………………………………. 24 1.4 Delimitación de la Investigación…………………………………………………. 25 1.5 Alcance de la Investigación…………………………………………………….… 25 CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO……………………………………………….….. 27 2.1. Antecedentes…………………………………………………………………... 28 2.2. Definición de Términos…………………………………………………….….. 31

2.2.1 Polipasto……………………………………………………………………... 31 2.2.2 Luz………………………………………………………………………….… 31 2.2.3 Factor de seguridad……………………………………………….............. 31 2.2.4 Acometida…………………………………………………………………… 31 2.2.5 Esfuerzo……………………………………………………………………... 31 2.2.6 Motor Eléctrico………………………………………………………………. 31

2.3 Reseña histórica de la grúa puente…………………………………….............. 32 2.4 Grúa Puente……………………………………………………………................. 33

2.4.1 Clasificación de las grúas puente según las normas que los rigen………………………………………………………………………………… 34 2.4.2 Clasificación general de las grúas puente según sus características y prestaciones……………………………………………………………………….. 35

Grúa puente monorriel……………………………………………………. 36

Grúa puente birriel………………………………………………………… 38

Grúa puente pórtico……………………………………………………….. 40

Grúa pluma………………………………………………………………… 41

Grúa semiportico………………………………………………………….. 42

2.4.3 Partes constitutivas de una Grúa Puente………………………………... 42 2.4.3.1 Mecanismo de elevación y traslación……………………………. 44

2.4.3.1.1 El polipasto monorriel………………………………………. 45 2.4.3.1.2 El carro polipasto………………………………...…………. 45 2.4.3.1.3 El carro abierto…………………………………...…………. 45

2.4.3.2 La viga principal o viga puente……………………………..…….. 46 2.4.3.3 Viga testera……………………………………………………...…. 46 2.4.3.4 Camino de rodadura o Vía de Rodadura………………..………. 47 2.4.3.5 Tipos de carriles……………………………………………...…….. 48

2.4.3.5.1 Carril tipo llantón……………………………………….……. 48 2.4.3.5.2 Carril tipo Burbach…………………………………………... 48 2.4.3.5.3 Carril tipo Vignole…………………………………………… 49 2.4.3.5.4 Carril tipo Plano …………………………………………….. 49

2.4.3.6 Equipo Eléctrico……………………………………………………. 50 2.4.3.7 Sistemas de mando……………………………………….............. 51

2.5 Vigas sometidas a flexión………………………………………………………… 51

2.6 Dimensionamiento de Grúas……………………………………………............. 54

2.6.1 Diseño para las cargas repetidas…………………………………………. 54 2.7 Clasificación del servicio de la grúa…………………………………….............. 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…………………………………………………………. 61 2.9.2 Carga de operación Cn………………………………………………….…. 61 2.9.3 Cargas generadas en el funcionamiento de la grúa puente………..…. 61 2.9.4 Impacto Vertical Ci………………………………………………………….. 62 2.9.5 Empuje lateral Css………………………………………………………….. 62 2.9.6 Empuje axial CIS……………………………………………………………. 63 2.9.7 Carga de impacto en los fines de carrera Cbs………………………….. 64 2.9.8 Factores de impacto, empuje lateral y empuje axial…………………... 64

2.10 Factores influyentes del esfuerzo máximo permisible……………………….. 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…………………………………………... 77 2.15.2 Influencia del Gas y el Arco de la Soldadura…………………………... 77 2.15.3 Procedimientos de Soldadura…………………………………………… 78 2.15.4 Código ANSI/AWS D1.1 de Soldadura Estructural-Acero……………. 79 2.15.5 Especificaciones AWS para materiales consumibles de soldadura…. 79

2.15.6 Posiciones de Soldadura…………………………………………………. 80 2.15.7 Tipos de Juntas……………………………………………………………. 82 2.15.8 Configuración de Biseles…………………………………………………. 83 2.15.9 Partes de las Juntas………………………………………………………. 84 2.15.10 Soldadura de filete………………………………………………………. 86 2.15.11 Calificación de Procedimiento y Personal de Soldadura……………. 87

2.16 Ensayos No Destructivos……………………………………………………….. 88

2.16.1 Métodos y técnicas……………………………………………………….. 89 2.16.1 .1 Inspección por líquidos penetrantes…………………………... 89

2.17 Especificaciones de limpieza y preparación de superficies……………..…. 90 2.17.1 Normas de Limpieza SSPC……………………………………………… 91

CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO………………………………………… 93 3.1 Tipo de Investigación………………………………………………………..……. 94 3.2 Diseño de la investigación………………………………………………………... 94 3.3 Nivel de la investigación………………………………………………………….. 95 3.4 Metodología de la investigación…………………………………………….…… 95 CAPÍTULO IV: REDISEÑO DEL SISTEMA GRÚA PUENTE………………………………………………………………………………… 98 4.1 Parámetros de diseño…………………………………………………………….. 99 4.1.1 Cargas de la grúa puente………………………………………………….. 99 4.1.2 Dimensiones de los componentes de la grúa puente……………..…… 103 4.1.3 Estados de carga crítica para la viga carrilera……………………….…. 104 4.2 Diseño de la viga carrilera………………………………………………….…….. 109 4.2.1 Material a utilizar……………………………………………………………. 110 4.2.2 Procedimiento de diseño…………………………………………….…….. 110 4.2.3 Análisis estático de la viga carrilera………………………………….…… 119 4.3 Apoyo Lateral………………………………………………………………………. 124 4.4 Calculo del esfuerzo permisible…………………………………………….……. 124 4.5 Calculo del esfuerzo real…………………………………………………………. 127 4.6 Determinar el índice de trabajo……………………………………...…………… 127 4.7 Análisis a corte para los perfiles seleccionados……………………………….. 127 4.8 Esfuerzo cortante en el alma…………………………………………………….. 128 4.9 Esfuerzo normal máximo…………………………………………………….…… 131 4.9.1 Selección del riel para la grúa puente……………………………………. 131 4.10 Factor de seguridad……………………………………………………………… 135 4.11 Calculo de deflexión de la viga carrilera………………………………….…… 136 4.12 Costos de la viga carrilera………………………………………………………. 139 4.13 Selección de la viga carrilera…………………………………………………… 139 4.14 Calculo y diseño de los pernos para sujeción de la viga carrilera…………. 140 4.15 Calculo de soldadura……………………………………………………………. 148 4.15.1 Vigas carrileras (empalme)………………………………………………. 148 4.15.2 Placa vertical conexión grúa-testero……………………………………. 148 4.16 Diseño de nuevos soportes……………………………………………………... 153 4.16.1 Soldadura de los nuevos soportes a la columna………………………. 157

4.17 Rediseño de las vigas principales de la grúa puente……………………..…. 159 CAPÍTULO V: RESULTADO Y ANÁLISIS DE RESULTADOS………………….. 162 5.1 Resultados…………………………………………………………………………. 163 5.1.1 Soportes existentes………………………………………………………… 163 5.1.2 Nuevos soportes diseñados……………………………………………….. 165 5.1.3 Simulación de columnas existentes en el galpón……………………….. 168 5.1.4 Vigas Carrileras………………………………………………………….….. 169 5.1.4.1 Caso I. Carro testero en el centro de la viga carrilera….……….... 169 5.1.4.2 Caso II. Carro testero en el extremo de la viga carrilera……...….. 171 5.2 Análisis de resultados………………………………………………..…………… 172 CONCLUSIONES……………………………………………………………………… 174 RECOMENDACIONES………………………………………………………………... 176 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………… 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

13

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

14

INDICE DE FIGURAS

Figura. 2.1. Elementos característicos de una nave industrial tipo puente grúa

33

Figura. 2.2. Puente grúa monorraíl 36

Figura. 2.3. Viga compuesta 37 Figura.2.4. Vigas y celosías de tipo cajón 37 Figura.2.5. Grúa puente birriel 38 Figura.2.6. Viga de perfil laminado 39 Figura.2.7. Viga formada de plancha de acero 39 Figura.2.8. Perfil conformado por la unión de plancha metálica y ángulo

39

Figura.2.9. Vigas de celosías 40 Figura.2.10. Vigas de tipo cajón 40 Figura.2.11. Puente grúa pórtico 41 Figura.2.12. Grúa pluma 41 Figura.2.13. Puente grúa semipórtico 42 Figura.2.14. Partes de un puente grúa monorriel 43 Figura.2.15. Viga testera 47 Figura.2.16. Tipos de perfiles llantón 48 Figura.2.17. Carril tipo burbach 48 Figura.2.18. Carril tipo Vignole 49 Figura.2.19. Carril tipo plano 49 Figura.2.20. Viga sometida a flexión con sus diagramas de fuerza Cortante y momento flector

52

Figura.2.21. Empuje lateral efectivo y área efectiva resistente en Vigas de sección abierta

63

Figura.2.22. Pandeo del patín cuando la compresión es muy grande 66

Figura.2.23. Dimensiones del perfil W 66

Figura.2.24 Deflexión para una viga simplemente apoyada bajo cargas iguales 74 Figura.2.25 Deflexión para una viga simplemente apoyada bajo carga distribuida 74 Figura.2.26 Partes de un cordón de soldadura 76 Figura.2.27 Posiciones de soldadura en placas con soldadura de ranura 80 Figura.2.28 Posiciones de soldadura en placas con soldadura de filete 81 Figura.2.29 Posiciones de soldadura en tubo con soldadura de ranura 81 Figura.2.30 Posiciones de soldadura en tubo con soldadura de filete 81 Figura.2.30A Posiciones de soldadura en tubo con soldadura de filete 82 Figura.2.31 Junta a traslape 82 Figura.2.32 Junta a tope 82 Figura.2.33 Junta de esquina 83 Figura.2.34 Junta de orilla 83 Figura.2.35 Junta en “T” 83 Figura.2.36 Partes de la junta a tope 84

Figura.2.37 Partes de las juntas soldadas 85

Figura.4.1 Dibujo esquemático de la grúa puente 102

15

Figura.4.2 Viga frontal de la viga principal 103

Figura.4.3 Vista lateral del carro testero 103

Figura.4.4 Diagrama de cuerpo libre del puente grúa 104

Figura.4.5 Diagrama de cuerpo libre con cargas equivalentes de las ruedas 105

Figura.4.6 Vista frontal de la grúa puente 106

Figura.4.7 Diagrama de cuerpo libre de la grúa puente 107

Figura.4.8 Vista frontal de la grúa puente 108

Figura.4.9 Estado de cargas de la viga carrilera 111

Figura.4.10 Diagrama de fuerza cortante y momento flector 113

Figura.4.11 Estado de carga de la viga carrilera 114

Figura.4.12 Diagrama de fuerza cortante y momento flector de la viga carrilera 115

Figura.4.13 Deflexión en la viga carrilera 117

Figura.4.14 Dimensiones y cargas de la viga carrilera 118

Figura.4.15 Notación de las medidas de la sección transversal de los perfiles 119

Figura.4.16 Estado de fuerzas de la viga carrilera 120

Figura.4.17 Diagrama de fuerza cortante y momento flector en la viga carrilera 122

Figura.4.18 Distribución de esfuerzos en la sección transversal 128

Figura.4.18a Medidas del área seleccionada 129

Figura.4.19 Montaje viga carrilera-carril 131

Figura.4.20 Dimensiones del riel 132

Figura 4.21 Ubicación del eje neutro en el conjunto viga carrilera-carril 133

Figura.4.22 Deflexión en la viga carrilera 137

Figura.4.23 Vista lateral de la unión viga carrilera-soporte 140

Figura.4.24 Diagrama de fuerzas transversal en la viga carrilera 141

Figura.4.25 Especificaciones SAE para pernos de acero 142

Figura.4.26 Dimensiones de tuercas hexagonales 143

Figura.4.27 Vista de planta de la viga carrilera con los pernos 145

Figura 4.28 Distribución de la fuerza cortante actuante en los pernos 145

Figura 4.29 Distribución de fuerzas en cada pernos 146

Figura 4.30 Algunas propiedades mecánicas de los electrodos según AWS 149

Figura 4.31 Empalme de las vigas carrileras por medio de soldadura 151

Figura 4.32 Unión por medio de soldadura de la placa para la conexión grúa- testero

152

Figura 4.33 Fijación de los nuevos soportes a las columnas 153

Figura 4.34 Estado de cargas del soporte 159

Figura 4.35 Plano esquemático de la viga principal de la grúa puente redimensionada

160

Figura 4.36 Plano de corte de la viga principal 160

Figura 5.1 Carga actuante en el soporte 163

Figura 5.2 Análisis de esfuerzo y deformación en el soporte existente 164

16

Figura 5.3 Factor de seguridad de los soportes actuales

165

Figura 5.4 Soportes nuevos con carga actuante 165

Figura 5.5 Análisis de esfuerzo y deformación en el nuevo diseñado 166

Figura 5.6 Factor seguridad de los nuevos soportes 167

Figura 5.7 Columnas existentes en el galpón 168

Figura 5.7A Análisis de deformación de las columnas existentes en el galpón 168

Figura 5.8 Factor de seguridad y deformación de las columnas existentes 169

Figura 5.9 Estado de carga en la viga carrilera 169

Figura 5.10 Análisis de esfuerzo y deformación en la viga carrilera 170

Figura 5.11 Factor de seguridad de la viga carrilera con el carro testero centrado 170

Figura 5.12 Estado de carga en la viga carrilera 171

Figura 5.13 Análisis de esfuerzo y deformación en la viga carrilera 172

Figura 5.14 Factor de seguridad de la viga carrilera con el carro testero en posición extrema.

172

17

INDICE DE TABLAS

Tabla 2.1 Clasificación de las grúas puentes según normas FEM 34 Tabla 2.2 Características de las grúas puente según el grupo 34 Tabla 2.3 Clasificación acorde a las normas británica BS2573 35 Tabla 2.4 Clasificación de servicio de grúa 58 Tabla 2.5 Clasificación de grúas por ciclo 59 Tabla 2.6 Clasificación de estructuras según los ciclos 60 Tabla 2.7 Factores de impacto 64 Tabla 2.8 Porcentajes de impacto vertical, empuje lateral y empuje axial 65 Tabla 2.9 Deflexiones máximas permisibles 72 Tabla 2.10 Deflexión en vigas por el método de superposición 73 Tabla 2.11 Propiedades mecánicas de los electrodos según AWS 87 Tabla 3.1 Sistema operacional de variables 95 Tabla 4.1 Luz de los componentes del sistema 99 Tabla 4.1A Componentes de la grúa puente 102 Tabla 4.2 Dimensiones de las secciones transversales de los perfiles 119 Tabla 4.3 Valores de las fuerzas actuantes en los diferentes perfiles 123 Tabla 4.4 Dimensiones de los perfiles en unidades inglesas 123 Tabla 4.5 Valores de la longitud critica y ultima de los perfiles 124 Tabla 4.6 Valores de esfuerzos permisibles para los perfiles seleccionados 126 Tabla 4.7 Esfuerzo real en los perfiles 127 Tabla 4.8 Índice de trabajo para los perfiles seleccionados 127 Tabla 4.8A Índice de trabajo por cortante para los perfiles 128 Tabla 4.9 Valores para calcular la ubicación del eje neutro del área seleccionada

130

Tabla 4.10 Valores de esfuerzo cortante en el alma para los perfiles 130 Tabla 4.11 Dimensiones del riel seleccionado 133 Tabla 4.12 Valores para calcular la ubicación del eje neutro del conjunto 133 Tabla 4.13 Ubicación del eje neutro para cada perfil seleccionado 134 Tabla 4.14 Valores de esfuerzo normal en el alma para cada perfil 134 Tabla 4.15 Valores del esfuerzo normal y cortante para los perfiles 135 Tabla 4.16 Factor de seguridad para los perfiles seleccionados 136 Tabla 4.17 Valores de deflexión máxima permitidas por la AISC 136 Tabla 4.18 Parámetros para calcular la deflexión de los perfiles 138 Tabla 4.19 Valores de deflexión para los perfiles seleccionados 138 Tabla 4.20 Costo en USD de las vigas seleccionadas 139 Tabla 4.21 Espesor mínimo de garganta efectiva 150 Tabla 4.22 Dimensiones de los perfiles seleccionados para el nuevo soporte 155 Tabla 4.23 Reacciones máximas de los perfiles 156 Tabla 4.24 Valores de momento de área de los perfiles seleccionados 156 Tabla 4.25 Valores de esfuerzo en los perfiles 156 Tabla 4.26 Factor de seguridad para los perfiles seleccionados 157 Tabla 4.27 Características de diferentes tipos de pinturas 161

18

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

19

producción de estos aparatos en el galpón perteneciente a la empresa Taller Comercio

C.A

CAPÍTULO I

EL PROBLEMA

21

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

22

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 C.A durante el año 2011, 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.

23

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 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 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.

24

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.

25

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.

26

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

28

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

29

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

30

“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.

31

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.

http://es.wikipedia.org/wiki/Red_de_distribuci%C3%B3n_de_energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica

32

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

33

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)

34

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


Los coeficientes de compensación y de choque son los siguientes:

Tabla 2.2. Características de las grúas puente según el grupo.


35

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


36

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


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.

37

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


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


38

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


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.

39

Las vigas utilizadas pueden ser de los siguientes tipos:

Vigas de perfil laminado

Figura 2.6. Vigas de perfil laminado


Vigas formadas de plancha de acero

Figura 2.7. Viga formada de plancha de acero


Vigas formadas de plancha y ángulos

Figura 2.8. Perfil conformado por la unión de plancha metálica y ángulo


40

Vigas de celosía

Figura 2.9. Vigas de celosía


Vigas de tipo Cajón

Figura 2.10. Vigas de tipo cajón


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.

41

Figura 2.11. Puente grúa pórtico


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


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.

42

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


2.4.3 Partes constitutivas de una Grúa Puente

En la figura 2.14 se detallan los componentes típicos que conforman una grúa

puente.

43

Figura 2.14. Partes de un puente grúa monorriel


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

44

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 porta 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

45

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.

46

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

47

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


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.

48

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


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.

49

Figura 2.17. Carril tipo Burbach


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


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


50

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.

51

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 del 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

52

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 respecto 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 fuerza cortante y el momento

flector es:

53

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.

54

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).”

55

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

56

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)

57

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 son

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 imán-

cubo 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

58

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


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.

59

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


60

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


61

2.9 Cargas de la Grúa Puente

2.9.1 Carga Vertical Cvs

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 Cn

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.

62

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 Ci

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.

63

2.9.5 Empuje lateral Css

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


64

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


65

2.9.8 Factores de impacto, empuje lateral y empuje 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


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.

66

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)

Figura 2.22. Pandeo del patín cuando la compresión es muy grande


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.

67

Figura 2.23. Dimensiones del perfil W


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.

68

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 L1 o L2 y se le denomina LC (longitud soportada lateralmente para

una sección compactada) y el mayor valor es LU.

69

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 bf x tf

Sy : Esfuezo de fluencia en kip/in2 o MPa.

Los valores antes mencionados se encuentran tabulados en 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 Lc y Lu se tienen 3

casos de análisis:

Caso 1

Seccion Compacta.

L≤LC

Fb = 0.66. Sy

Caso 2

70

Independiente de la sección

Lc<L≤Lu

Fb = 0.6. Sy

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

rt: 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.

71

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 Cb 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. Sy

Caso 3.2

Li<λf<Ls

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 secciones laminadas o

fabricadas. Esta difiere un poco del valor máximo pero es más fácil de calcular.

72

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

73

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:

74

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 Shigley6. Estos son los siguientes:

75

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)

76

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 resistencia 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

77

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.

78

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.

81

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)

82

Figura 2.28. Posiciones de soldadura en placas con soldadura de filete Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)

Figura 2.29. Posiciones de soldadura en tubo con soldadura de ranura Fuente: Armijo (2007)

Figura 2.30. Posiciones de soldadura en tubo con soldadura de filete Fuente: Armijo (2007)

83

Figura 2.30A. Posiciones de soldadura en tubo con soldadura de filete 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)

84

Figura 2.33. Junta de esquina Fuente: Armijo (2007)

Figura 2.34. Junta de orilla


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 requerido.

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


86

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


87

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

88

Tabla 2.11. Propiedades mecánicas de los electrodos según AWS

Fuente: (Shigley y Mischke, 2008)

Numero de electrodo AWS

Resistencia de tensión kpsi

(Mpa)

Limite elástico kpsi (Mpa)

Elongación (%)

E60xx 62 (427)

50 (345) 17-25

E70xx 70 (482)

57 (393) 22

E80xx 80 (551)

67 (462) 19

E90xx 90 (620)

77 (531) 14-17

E100xx 100 (689)

87 (600) 13-16

E120xx 120 (827)

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

89

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

91

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.

92

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.

93

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

95

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.”

96

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 Metodología Resultados

Esperados

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

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

la grúa puente a fin de

acondicionarlas a las

dimensiones de la nave

del galpón industrial.

Tomando en cuenta las

dimensiones del galpón se

elabora un diagrama de corte

que se le entrega al personal

calificado para adecuar las

vigas principales a la nave del

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.

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.

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 grúa

puente, mediante

programas de diseño, a

fin de garantizar la

buena operatividad del

mismo.

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

100

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 9 m Luz de la viga carrilera 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

Peso Unitario

(Kg)

Peso Total (Kg)

Polipasto 1 2268 2268

Viga Principal+accesorios 2 2200 4400

Carros Testeros 2 950 1900

Parte Eléctrica/acoplados 1 400 400

TOTAL

8968

104

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 1m 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:

Wt= Peso del carro testero = 2640.08 N/m

Wv=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


107

La ecuación 1 queda expresada de la siguiente manera

2R r1+2R 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 R

r1=R r4, de acuerdo a esto

R r1=R r2= Rr3=Rr4=74898.3412 N

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


De acuerdo con las ecuaciones para elementos en equilibrio estático tenemos:


+ 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(2Rr4) = 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 ASTM 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


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


+ ∑ 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


V@0m= 121 190.05 N



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 (m3)

Entonces:

Fb= 0.66.Sy

Fb= 0.66 x 345Mpa

Fb= 227.7 Mpa

118

Smin ≥ 1,20 x 10-3mts3 = 1.203 cm3

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


Designación Peso Área Dimensiones Propiedades

Wd x Peso Peso A

Altura Alas Alma Eje X-X Eje Y-Y

D

bf tf

tw

Ix Sx

rx

Iy

Sy

ry

plg x lb/pie N/m cm2 Mm cm

4 cm

3 cm cm4

cm3 cm

W24x94 1393 180 617 230 22.2 13.1 114000 3680 25.1 4530 394 5.01

W21X93 1372.93 178 549 214 23.6 14.7 87000 3170 22.1 3870 362 4.66

W12X210 3069.5 399 374 325 48.3 30 89400 4780 15 27600 1700 8.32

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


+ ∑ Fy=0

∑ Fy= Rs1+Rs2 - Rr1 - Rr2 - 7.570 WV

Del análisis anterior se tiene que: Rs1=Rs2

Rs1= Rs2=126.462,55 N

122

Diagrama de Fuerza cortante y momento flector


V@0m= 126 462.6 N

[email protected]= 2124.32.05 N


M1= M2= = 3557.24 + 278

690.6 + 1619.83 = 283 867.67 N.m

Mmax= 283 867.67 N.m

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 el 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


Perfil Peso

Rs1=Rs2

Vmax

[email protected] [email protected]

N/m N N N.m N

W24x94 1393 126462.6 126462.6 283867.67 0

W21x93 1372.93 126259.76 126259.76 283437.3 0

W12x210 3069.5 132681.27 132681.27 295590 0

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 L/rt

in2 in in In in in-1 In In3 ft ft

W24x94 27.7 21.62 24.29 9.065 0.875 3.06 2.33 222 9.6 15.1 124.48

W21x93 27.3 14.71 1.18 8.420 0.93 2.76 2.17 193.44 8.9 16.8 137.36

W12x210 61.8 0.580 0.516 12.79 1.9 0.61 3.53 291.7 13.5 75.9 84.43

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 L (ft) Lc (ft) Lu (ft) L/rt

W24x94 24.84 9.60 15.1 124.48

W21x93 24.84 8.9 16.8 137.36

W12x210 24.84 13.5 75.9 84.44

Observamos que:

Para los perfiles W24x94 y W21x93, L Lu

Para el perfil W12x210 Lc<L<Lu

4.4 Calculo del esfuerzo permisible

Para el segundo caso, donde Lc<L<Lu, se tiene que:

Fb=0,6.Sy

Para el primer caso donde L Lu el diseño de la viga debe guiarse de acuerdo al caso 3

explicado en la sección 2.11.

Se determina la esbeltez a flexion para cada perfil, donde

λf=L/rt

Siendo λf el valor de la esbeltez

En la tabla anterior, se encuentra el valor de λf 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<Ls

λf Ls

Siendo:

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 Fb (Ksi)

W24x94 16.14

W21x93 15.04

W12x210 21.6

4.5 Calculo del esfuerzo real

Con cada modulo de sección y el momento flector máximo, los esfuerzos reales 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 Vmax (Lbs)

d (in)

Tw (in)

Fv (Ksi)

Fv (Ksi)

Iv

W24x94 28401.4 24.29 0.516 12.6 2.266 0.18

W21x93 25250.42 21.62 0.580 12.6 2.013 0.16

W12x210 26694.18 14.71 1.18 12.6 1.537 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 centroide 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


Fig. A Ȳ A.Y

cm2 cm cm3

1 51.06 28.63 1461.8478

2 37.505 14.315 536.88

Σ 88.565 X 1998.73

Entonces

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 Vmax (N) I cm4 t (cm) Q (cm3)

W24x94 126335.72 114000 1.31 1998.91 16.90

W21x93 126259.76 87000 1.47 1789.43 17.66

W12X210 132681.27 89400 3 2844.9 14.07

Se observa que como ninguno de los perfiles fallara por corte en el

alma.

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 anexo 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

Figura 4.20. Dimensiones del riel Fuente: Crail rail supply

Tabla 4.11. Dimensiones del riel Fuente: Central rail supply

Nominal

Weight

Per Yard

Type

of Rail

DIMENSIONS IN INCHES SECTION

DESIGNATION 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 - - -

RAIL ASCE 60 ASCE 80

Area 38, 26 cm2 5.93 in.2 50, 71 cm2 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 cm4 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

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 2 ¼ 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 2 ½ 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 Área (cm2) Ȳ (cm) A.Y (cm3)

Riel 38.26 66.907 2559.86

Viga 180 30.85 5553

Σ 218.26 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

Perfil Área (cm2) (cm)

W24x94 180 37.17

W21x93 178 33.232

W12x210 399 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 M max (N.m) C (cm) Ix (cm4) b (Mpa)

W24x94 283581.1 37.17 114606 91,97

W21x93 283437.3 33.23 87606 107,5

W12X210 295590 20.79 90006 68,27

De acuerdo a la CMAA y a las AISC el adm será:

adm= 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) x

(MPa) y

(MPa)

(MPa) W24x94 0 283581.1 91,97 0 0

W21x93 0 295590 107,5 0 0

W12X210 0 100,15 68,27 0 0

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


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 respecto 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 (m4)

Tabla 4.18 Parámetros para calcular la deflexión de los perfiles Fuente: Elaboración propia

Perfil Wv (N/m) L (m) a (m) P (N) E (Pa) I (m4)

W24x94 1687,59 7.570 2.26 121190.05 207x109 0.00114606

W21x93 1667,52 7.570 2.26 121190.05 207x109 0.00087606

W12X210 3364,09 7.570 2.26 121190.05 207x109 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 Deflexión (cm)

W24x94 0,7584

W21x93 0,992

W12X210 1,004

Se puede observar que solo para las vigas W24x94 y W21x93, δ<δmax 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 Peso total (Kg) Costo en USD$

W24x94 34398.08 59852.66

W21x93 41340.5 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

X

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

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 num 8.

Figura 4.25 Especificación SAE para pernos de acero


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


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


147

Figura 4.28. Distribución de la fuerza cortante y momento actuante en los pernos


Donde

V= 15190 N

Ma= 24080.49 N.m

Figura 4.29. Distribución de fuerzas en cada perno

148


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 esmerilar 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 distorsión, 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 grúa- testero.


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 soporte Fuente: Elaboración propia

Vigas d (cm) bf (cm) tf (cm) tw (cm) I (cm4) S (cm3)

W14x82 36.3 25.7 2.17 1.3 37000 2030

W14x53 35.4 20.5 1.68 0.940 22800 1290

W16X57 41.7 18.1 1.82 10.90 32100 1540

W18x50 45.7 19 1.45 9.02 33900 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 Peso (N/m) Mmax (N.m) Vmax (N)

W14x82 1205.4 23699 121533

W14x53 784 23666.95 121369

W16X57 843.78 23671.5 121392.3

W18x50 737.94 23663.45 121351

Los valores máximos de momento flector y fuerza cortante se dan en la unión

soporte-columna, esta es la sección que se analizara para 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 Q (cm3)

W14x82 1117.68

W14x53 846.55

W16X57 854.23

W18x50 816.08

Se calculan los esfuerzos correspondientes

Tabla 4.25 Valores de esfuerzos de los perfiles Fuente: Elaboración propia

Vigas (Mpa) (Mpa) (Mpa)

W14x82 11.58 28.13 50.08

W14x53 18.33 47.819 84.83

W16X57 15.33 29.56 53.44

W18x50 15.91 26.737 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 Factor de Seguridad

W14x82 5

W14x53 2.95

W16X57 4.68

W18x50 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 Pintura Color Tiempo Secado

(hrs)

Espesor Seco (mils)

Tipo De

Limpieza

1 CINC INORGANICO

GRIS 12 3

SS

PC

-SP

-5 2 FONDO EPOXI

POLIAMIDA ROJO 24 2

3 ESMALTE EPOXI

POLIAMIDA

GRIS 24 2

4 ESMALTE EPOXI

POLIAMIDA

AMARILLO 24 2

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 parámetro. 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 con un estimado “clase 5”.

178

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.

179

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.

180

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

movilización de moto-bombas verticales de agua de circulación”.

Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería, Escuela Mecánica. Maracaibo,

1997, Trabajo Especial de Grado.

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.

AISC American Institute of Steel Construction, Inc. (2005) “Specification for

Structural Steel Buildings.

CONVENIN 3510. (1999). Norma Venezolana “Equipos de izamiento. Grúas

puente y pórtico.

Catalogo empresa Anchor. http://www.anchorsales.com/cranes.php.

http://www.anchorsales.com/cranes.php

181

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: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: Material: ASTM

A572 Grado 50

Medidas: Centímetros

Anexo 3. Plancha conexión viga principal-testero #1


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: Material: ASTM

A572 Grado 50

Medidas: Milímetros

Anexo 4. Plancha conexión viga principal-testero #2


Anexo 5. 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)

Anexo 18: Tabla selección de rieles

Fuente: CMAA #70

diseño de puente grua de 25 toneladas

Documents