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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: endera19@gmail.com Email: fabx101@gmail.com
_______________________________
Lupe Barroso
Tutor académico
C.I. 16.355.647
Móvil: 0414- 6190631
Email: lupebarroso@hotmail.com
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
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instalaciones funcionaba una empresa de fabricación de productos asfalticos (mantos y
tejas asfálticas, primer), en la que solo se requería de montacargas y polipastos
menores para la movilización de equipos y materiales, es decir, no se disponía de un
sistema grúa puente en esta área.
Actualmente para la movilización de los componentes utilizados en la fabricación
y ensamble de los equipos en Taller Comercio C.A, se utilizan montacargas y
polipastos, los cuales representan un riesgo físico tanto para el personal de la planta
como para el equipo que se necesita movilizar, al momento de transportar dichos
componentes debido a su magnitud, peso y a la geometría que estos poseen. Estos
equipos de elevación presentan una limitante, debido a la magnitud de la carga que
pueden soportar, ya que en algunos casos es necesario utilizar 2 ó más montacargas al
mismo tiempo para trasladar una pieza, lo que trae como consecuencia mayor inversión
de tiempo en una misma actividad reflejando una baja en la producción.
Debido a esta problemática es necesario disponer de un sistema grúa puente
que facilite y mejore el traslado de estos componentes y equipos, disminuir los riesgos
existentes en el área de trabajo y con esto lograr la optimización de la producción.
Por tal motivo la empresa Taller Comercio 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.
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1.2 FORMULACION DEL PROBLEMA
El planteamiento anterior pone de manifiesto la importancia de realizar la
presente investigación, debido a que se busca la forma más práctica para rediseñar un
sistema grúa puente; razón por la cual se formula el problema, a través de la siguiente
interrogante: ¿Cómo rediseñar un sistema grúa puente para una empresa
metalmecánica?
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Rediseñar el sistema grúa puente de 25 Toneladas de capacidad.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar los parámetros 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.
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1.4 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
Este trabajo se realizará con la finalidad de facilitar el traslado de equipos y
maquinaria pesada dentro de las instalaciones de la empresa TALLER COMERCIO
C.A, ya que actualmente cuenta con equipos de movilización que no están acorde a las
necesidades y a las exigencias de la empresa. Debido a la creciente demanda por parte
de las empresas petroleras y petroquímicas, de equipos fabricados en el área
(intercambiadores de calor y recipientes a presión) se ve la necesidad de implementar
un sistema de transporte que sea rápido, seguro y eficiente, que sustituya a los
montacargas y polipastos, los cuales generan mayores riesgos y pérdida de tiempo en
la producción. Por tal motivo el sistema empleado será el de una grúa puente.
La instalación de este sistema de grúa puente trae consigo beneficios
económicos, gracias a la optimización de la producción, disminución de riesgo en el
transporte de equipos, mejora en la calidad de los servicios de movilización y se contara
con una tecnología acorde al proceso productivo de la empresa.
Para la investigación se trabajará de forma práctica estudiando las condiciones
óptimas para el diseño y construcción de un sistema de grúa puente, así como los
requerimientos concernientes a la seguridad, higiene y protección del ambiente. Se
llevará a cabo un amplio estudio sobre las investigaciones previas relacionadas con el
tema tratado siguiendo la línea metodológica correcta, así mismo se establecerá los
diversos estudios que podrán llevarse a cabo en el entorno del sistema.
Además, con la investigación se daría un gran impulso al Taller Comercio C.A,
se prestaría un gran servicio a las empresas involucradas en el área petrolera y
petroquímica de la zona y se optimizara el trabajo prestado.
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1.5 DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA
Este proyecto de investigación se llevará a cabo en la empresa Taller Comercio
C.A, la cual está ubicada dentro de la Zona Franca Industrial de Paraguaná, calle N°4
en la Av. Bolívar, Meseta de Guaranao, en la ciudad de Punto Fijo, Edo Falcón, se
contará con el apoyo de la presidencia de la empresa, Ing. mecánico Alberto Díaz, de la
Gerencia General, Nino Facchinetti y del departamento de Ingeniería, Ing. mecánico
Luis Ceballos, así como la logística para grúas y maquinarias pesadas requeridas, los
cuales serán suministradas por la empresa HAFRAN servicios múltiples C.A, contando
de igual manera de la asesoría directa del tutor industrial Ing. Mecánico Edgar Núñez.
Este trabajo de grado tendrá una duración de 20 semanas, comenzando desde el mes
de noviembre.
Entre las áreas de estudio que abarca la investigación se encuentran Mecánica
de sólidos, Elementos de Máquinas, Materiales para ingeniería, proceso de fabricación
y Soldadura.
1.6 ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN
El alcance de este proyecto de investigación es el diseño de un sistema grúa
puente, el cual abarcará eldiseño y selección las vigas de carga y el sistema de rieles
por donde se desplazara el puente grúa. Se redimensionara la viga principal a las
condiciones del galpón y se hará un análisis de las columnas existentes para comprobar
la capacidad de carga de estas. Se utilizara una grúa puente de tipo biviga de 25
toneladas de capacidad, disponible en el almacén del Taller Comercio CA. Se utilizaran
los soportes en las columnas existentes, previo a un estudio de sensibilidad de acuerdo
a los esfuerzos actuantes y con los factores de seguridad establecidos de acuerdo a la
norma y de ser necesario se redimensionara la capacidad de izamiento de carga de la
misma.
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Para dichos fines se requerirá un estudio, aplicando conocimientos de ingeniería
mecánica, en el área de diseño y construcciones mecánicas así como en el área de
materiales y metalurgia; también se necesita aplicar ciertos conocimientos de ingeniería
civil para los cimientos y otras estructuras de concreto.
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
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CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 ANTECEDENTES
Presentamos seguidamente una serie de trabajos especiales de grado que
proporcionan a nuestra investigación confiabilidad y consistencia de alta relevancia ya
que la información que poseen es detallada basada en conocimientos y experiencias
que son compatibles y guardan relación con el diseño de sistemas de izamiento.
GARCÍA R. Kenny D. “MODIFICACIÓN DE UN SISTEMA DE RIELES PARA GRUAS
PUENTE DE UNA PLANTA COMPRESORA”. Universidad del Zulia. Facultad de
Ingeniería, Escuela Mecánica. Maracaibo, 2007, Trabajo Especial de Grado.
El propósito de esta investigación está orientada a satisfacer y a realizar una
propuesta de modificación del sistema de rieles para grúas tipo puente de la planta
compresora modular Tía Juana Nª4, propiedad de la estatal PDVSA, particularmente los
pertenecientes a equipos de izamiento ubicados en los módulos de compresión. Esto en
virtud de la problemática presentada a causa del limitado alcance o recorrido de las
grúas ya señaladas, lo que implica dificultad en la operación y maniobrabilidad durante
el montaje, traslado y desmontaje de los componentes o equipos críticos del tren de
compresión o sus componentes, surgiendo así la alternativa de una modificación
consistente en la extensión del sistema de rieles de estos equipos de izamiento, los
cuales poseen una capacidad nominal de 20 ton.
Como parte de este proyecto se procedió a la recolección de información de los
dispositivos principales de las instalaciones involucradas, equipos de izamiento en
general y en particular de las grúas puente que allí se localizan. La investigación se
define como del tipo descriptivo, de campo, proyecto factible y de carácter aplicado,
como instrumentos para la recolección de información se consideraron la entrevista no
estructurada y la revisión documental como los más importantes. La propuesta de
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extensión de rieles resultante fue modelada y evaluada técnicamente haciendo uso de
una herramienta computacional, determinándose que es factible desde el punto de vista
técnico y económico para la empresa y aplicable a otras empresas de compresión.
GUERRA G, Jorge A. “DISEÑO DEL SISTEMA ESTRUCTURAL DE IZAMIENTO
PARA UNA UNIDAD DE SERVICIO DE POZOS”. Universidad del Zulia. Facultad de
Ingeniería, Escuela Mecánica. Maracaibo, 2007, Trabajo Especial de Grado.
Una unidad para servicios de pozos es un equipo versátil, para realizar diferentes
tipos de trabajos en pozos de levantamiento artificial. El objetivo general de este trabajo
especial de grado es el diseño del sistema estructural de izamiento para una de estas
unidades, para una carga de 120 klbf.
Es un sistema compacto y móvil que transmite la potencia a través de un arreglo
de cables metálicos. Está constituido por tres partes, el mástil, q es la estructura q le da
la altura al equipo, al cual se le realizaron varios estudios del comportamiento bajo
cambios de parámetros geométricos y dos soportes que sirven de apoyo al mástil, uno
trasero al quien se le transmite toda la carga y uno delantero donde va apoyado el
mástil en la posición de descanso. Además, se realizaron estudios para la selección del
chasis del equipo que transportara el sistema.
Se realizaron los análisis de todo el sistema bajo los requerimientos de los
estándares API y se diseñaron las piezas utilizando software para CAD y analizándolas
a través de un software de análisis de elementos finitos.
MARIN R. Carlos J.; ROMERO F. Miguel A. “DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA PARA
LA MOVILIZACIÓN DE MOTO-BOMBAS VERTICALES DE AGUA DE
CIRCULACION”. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería, Escuela Mecánica.
Maracaibo, 1997, Trabajo Especial de Grado.
Este trabajo especial de grado tiene como finalidad extracción, movilización y
reparación de las Moto-Bombas verticales de agua de circulación y equipos anexos, así
como el disminuir los costos de alquiler de grúas telescópicas vehiculares y eliminar
retrasos costosos en el Sistema de Agua de Circulación correspondiente a la Planta
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“Ramón Laguna” de la C.A. Energía Eléctrica de Venezuela; se decidió a diseñar un
Puente Grúa con capacidad de 15 Ton. A fin de calcular y diseñar el Puente Grúa se
procedió inicialmente a hacer una revisión teórica de las partes más importantes que
componen la grúa. Seguidamente se seleccionaron y calcularon en base a las Normas
DIN y FEM los componentes a saber: gancho, aparejo, cable metálico, poleas y tambor
del cable.
A continuación se procedió al cálculo de la Viga Principal o Viga Puente tomando
como criterios básicos la flecha, deflexión biaxial, costo, peso y acción del viento;
resultando la misma una Viga Cajón doble o para carro Birriel (ZLK) producto de
conocer la Luz y capacidad. Posteriormente se diseñó y calculo el Testero resultando
del Tipo ABUS 400.350.3800.5.16, incluyendo todos sus componentes de acople a la
Viga Puente y Motor de Traslación de la grúa, tales como: soldadura, pernos, planchas,
ruedas, rodamientos, acople y ejes. En base a los resultados anteriores, se calculó la
Viga Carrilera resultando del Tipo HEB 300, Grado DIN St. 37-2, incluyendo el carril
Tipo Llantón 30x55. Seguidamente se procedió a seleccionar el carro birriel con su
respectivo polipasto basándonos en la velocidad de elevación y traslación en trabajo,
potencia, luz del puente, recorrido del gancho, carga máxima a elevar, factor de
marcha, clasificación de las Normas FEM y DIN en base al tipo de actividad del Puente
Grúa y costo; resultando del Tipo ABUS GM 5200.H6190.41.103D.
Finalmente, se procedió al cálculo y selección del equipo eléctrico de Traslación
del Puente tomando como criterios, la velocidad de trabajo, factor de marcha, recorrido
del puente, potencia, resistencia a la rodadura y acción del viento; resultando del Tipo
Jaula de Ardilla ABUS con una potencia de 2x1.32 Kw//2x0.3 Kw. Todo lo anteriormente
calculado y descrito tiene un costo de 43080000 Bs. En moneda corriente, sin incluir el
sistema eléctrico, construcción civil y manos de obra.
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2.2 TÉRMINOS BÁSICOS
2.2.1 Polipasto: Es el mecanismo de elevación por diferencial formado por un conjunto
de poleas fijas y móviles utilizado para el izamiento o descenso de carga en un solo
eje. (Norma CONVENIN 3510:1999).
2.2.2 Luz: Distancia horizontal entre el centro del riel y el centro del riel de las vigas de
rodadura de la grúa (Norma CONVENIN 3510:1999).
2.2.3 Factor de seguridad: Es la razón entre la carga de rotura y la carga segura
permisible, sobre una pieza, estructura o mecanismo. Dicha razón se utiliza cuando se
diseña la pieza, teniendo en cuenta las condiciones normales de servicio y evitando
posibilidad de imprecisiones de cualquier tipo, incluyendo la variación de fuerzas
resultante del deterioro durante el servicio. (Diccionario Ingeniería Mecánica, Hermanos
Nayler, 1987).
2.2.4 Acometida: Se llama acometida en las instalaciones eléctricas a la derivación
desde la red de distribución de la empresa suministradora hacia la edificación o
propiedad donde se hará uso de la energía eléctrica.
2.2.5 Esfuerzo: Se le llama así a la fuerza por unidad de área, o la intensidad de las
fuerzas distribuidas a través de una sección dada
2.2.6 Motor Eléctrico: Es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en
energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas.
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2.3 Reseña histórica de la grúa puente
La necesidad de transportar objetos se remonta a los inicios de la humanidad
misma, siendo el hombre el primer medio de izamiento y transporte asumiendo el papel
de máquina de carga. Del transporte sobre los hombros o sobre la cabeza, se
evoluciona al empleo de elementos auxiliares, como larguero sobre los hombros o como
sacos para colocar sobre la espalda.
Hacia 700 A.C los mecánicos griegos desarrollan la técnica de la descomposición de
las fuerzas con ayuda de los llamados polipastos. El polipasto se compone de una
polea fija y una segunda sujeta al objeto a desplazar. Una cuerda discurre, partiendo de
un punto fijo, primero alrededor de la polea móvil y después de la fija. Estirando el
extremo libre, la carga se desplaza únicamente la mitad de la distancia que lo hace el
extremo libre.
Luego el período grecorromano (del siglo X A.C al siglo V D.C) constituye una etapa
de gran impulso en la evolución de la tecnología de la elevación. Un elemento clave
para la elevación es la polea compuesta, inventada en este período.
En el siglo III A.C Arquímedes desarrollo las leyes de la palanca. Creo un sistema
teórico sobre la multiplicación de la fuerza que se consigue con la palanca, el efecto de
la cuña y la utilización del plano inclinado y de la polea. Desarrollo una extensa teoría
acerca de los polipastos con las transmisiones de fuerza.
Construyó también un polipasto en que varias cuerdas discurrían paralelas por
numerosos rodillos con lo que se distribuían entre si la fuerza de cargas muy pesadas.
Sin embargo, fueron los romanos y no los griegos, los que sacaron un rendimiento
práctico a estos trabajos teóricos; lograron la realización técnica; disponían de las
cuerdas con resistencia suficiente, y con el curso del tiempo, incluso de cables de
alambre. Con el principio del polipasto, los romanos construyeron grandes grúas para
cargas muy pesadas, con uno o dos árboles inclinados, sujetos mediante cabos.
Finalmente, no fue sino hasta el año 1888 que se creó el primer carro eléctrico de un
puente grúa gracias a las recientes aplicaciones de la electricidad. En el aspecto del
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material, la tecnología del hierro y del acero anunció el futuro de las estructuras rígidas
y resistentes que iban a desplazar a las vigas de madera utilizadas anteriormente.
En muy pocos años se produjo el gran cambio, de ver grúas de madera o con
tambores manuales se pasó a ver aparatos de elevación en acero accionados a vapor o
eléctricamente no muy diferentes a la de nuestros días.
2.4 Grúa Puente
La grúa puente según (Marín y Romero, 1997) es un tipo de aparato de elevación,
compuesto por una viga, simple o doble, biapoyada sobre dos carriles elevados sobre
unos postes, dispuestos a tal efecto o componentes de la estructura resistente de la
nave o edificación. El movimiento longitudinal se lleva a cabo mediante la traslación de
la viga principal o puente a través de los carriles elevados. En la práctica totalidad de
los casos, la rodadura es por ruedas metálicas sobre carriles también metálicos. El
movimiento transversal se realiza mediante el desplazamiento de un polipasto o carro
sobre uno o dos carriles dispuestos sobre la viga principal.
Como en el caso anterior la rodadura es para todos los casos de tipo acero-acero. El
movimiento vertical se ejecuta a través del mecanismo de elevación: polipasto o carro.
Figura 2.1. Elementos característicos de una nave industrial tipo puente grúa
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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2.4.1 Clasificación de las grúas puente según las normas que los rigen
A) Clasificación según las normas FEM
Los puentes grúa en cuanto a las normas FEM (Federación Europea de la
Manutención) se clasifican según:
El tiempo de funcionamiento
El tipo de carga
Los choques a los que están sometidos
En la siguiente tabla se indica esta clasificación de los puentes grúa:
Tabla 2.1. Clasificación de las grúas puente según normas FEM
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Los coeficientes de compensación y de choque son los siguientes:
Tabla 2.2. Características de las grúas puente según el grupo.
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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B) Clasificación según las normas británicas BS 2573
Según las normativas británicas BS 2573 se clasifica a los puentes grúa según las
condiciones a las que se encuentra sometido. Estas son:
El tipo de servicio que presta
El número de horas de utilización por año
Las velocidades de funcionamiento
Su empleo
La clasificación de las grúas es necesaria porque se deben aplicar diversos factores
de seguridad en su diseño, estos factores son más altos según el tipo de servicio que
prestan.
Dicha clasificación cataloga a las grúa puente en clases, acorde a la información de la
siguiente tabla:
Tabla 2.3. Clasificación acorde a las normas británicas BS 2573
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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2.4.2 Clasificación general de la Grúa Puente según sus características y
prestaciones.
Grúa Puente monorriel
La grúa puente monorriel está conformado por una sola viga y constituye una
solución eficaz para el movimiento de cargas cuando es necesario aprovechar toda la
altura disponible del local, y el edificio no es extremadamente ancho.
Las grúas puente de este tipo disponen de doble velocidad en todos los movimientos
(elevación, traslación del carro y traslación del puente) y se encuentran equipados con
polipastos como se puede apreciar en la siguiente figura.
Figura 2.2. Puente grúa monorraíl
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Presentan capacidades desde 1 hasta 25 toneladas y ofrecen la mejor relación
prestación/servicio.
La grúa puente monorriel puede ser a su vez:
a) De viga simple
Como su nombre lo indica utiliza una sola viga de perfil W, por el cual se trasladara el
polipasto. Esta opción es más barata y liviana porque solo necesita una viga, en lugar
de dos vigas en conjunto que utilizan una grúa puente de doble viga de la misma
capacidad. El trabajo de montaje además es menor al igual que la cantidad de
materiales adicionales necesarios para esta operación.
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b) De viga compuesta
Se compone de 2 perfiles para formar una sola viga. Se puede utilizar un perfil W
acoplado en sus patines a un perfil C a fin de aumentar su resistencia en las partes
donde el esfuerzo es mayor.
También se puede utilizar vigas de celosía o de tipo cajón siempre que en su parte
inferior lleve un perfil W por el que se pueda desplazar el polipasto. La conformación de
este tipo de vigas y sus secciones transversales se indican en la siguiente figura.
Figura 2.3. Viga Compuesta
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Con respecto a la alternativa de usar viga simple, la viga compuesta es más efectiva
pues permite un mejor aprovechamiento de la distribución del material. El ala en
compresión que es una parte critica a las solicitaciones de pandeo lateral, se halla
reforzada por el canal, en tanto que el ala en tracción que tiene esfuerzos permisibles
mayores, no tiene refuerzo.
Figura 2.4. Vigas y celosías de tipo cajón
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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También, el canal dispuesto en esa forma aumenta considerablemente el momento
de inercia de la viga en sentido y-y que es solicitado cuando se desarrollan fuerzas
horizontales debidas al frenado o a la aceleración de la carga. El tamaño del perfil no
necesita cubrir toda la longitud de la viga sino aquella porción donde los momentos
flectores tienen su mayor valor.
Grúa puente birriel
Consta de un acople de doble viga en el cual se apoya el carro que sustenta el
polipasto. Este modelo permite alcanzar la máxima altura del gancho, es ideal para
cargas elevadas o naves con luz media o grande, y la capacidad total de carga puede
alcanzar las 100 Ton.
Figura 2.5. Grúa puente birriel
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Se pueden citar las siguientes características con respecto a este modelo:
El carro se traslada sobre rieles soldadas en la parte superior de las
dos vigas.
La carga se distribuye igualmente sobre las dos vigas.
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Las vigas utilizadas pueden ser de los siguientes tipos:
Vigas de perfil laminado
Figura 2.6. Vigas de perfil laminado
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Vigas formadas de plancha de acero
Figura 2.7. Viga formada de plancha de acero
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Vigas formadas de plancha y ángulos
Figura 2.8. Perfil conformado por la unión de plancha metálica y ángulo
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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Vigas de celosía
Figura 2.9. Vigas de celosía
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Vigas de tipo Cajón
Figura 2.10. Vigas de tipo cajón
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Las grúas de doble viga son en general más caras, tanto en su parte estructural, que
requiere mayor cantidad de material, como en su parte electromecánica. Aunque el
costo adicional se compensa con mejores condiciones de estabilidad en comparación a
las grúas monorriel.
Grúa puente Pórtico
Este puede ser monorriel o birriel y se diferencia de los anteriores en que las vigas
se encuentran conectadas a un pórtico fijo, el mismo que se traslada a lo largo de la
instalación. Un ejemplo de este tipo de instalación se puede observar en la siguiente
figura11.
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Figura 2.11. Puente grúa pórtico
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
El pórtico es ideal cuando no se desea construir una estructura soporte o la nave no
es capaz de soportar cargas en elevación. Presentan capacidades desde 250 kg hasta
50 Ton.
Grúas Pluma
La pluma es muy eficaz cuando se desea manipular cargas en zonas más reducidas
(hasta 200 metros cuadrados).
Figura 2.12. Grúa pluma
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Existen modelos con giro de 180°, 270° y 360° con rotación manual o motorizada. El
sistema de fijación es muy diverso: pluma con pie, pluma mural fijada en la pared o en
una columna y pluma suspendida fijada en el techo.
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Grúas semipórtico
Constituye una estructura que desde un lado tiene una perspectiva de puente
grúa y desde el otro es un puente monorriel o birriel. En uno de los lados consiste en
una serie de columnas fijas y por el otro en columnas móviles que van sujetas a la
viga de la carga. La función de la columna móvil es la de desplazarse a la misma
altura de la carga a través de un riel que se encuentra sujeto al suelo, tal y como se
observa en la siguiente figura.
Figura 2.13. Grúa Puente semipórtico
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.4.3 Partes constitutivas de una Grúa Puente
En la figura 2.14 se detallan los componentes típicos que conforman una grúa
puente.
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Figura 2.14. Partes de un puente grúa monorriel
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Partes constitutivas:
1. Armario de traslación.
2. Armario polipasto.
3. Final de carrera de elevación.
4. Brazo arrastrador de alimentación del carro.
5. Soporte de fijación.
6. Carritos.
7. Motor para movimiento longitudinal.
8. Brazo toma corrientes.
9. Armario de traslación.
10. Final de carrera de traslación de puentes.
11. Tope final.
12. Soporte de protección de mangueras.
13. Botonera con conector.
14. Soportes de las mangueras.
15. Empalme de perfil.
16. Soporte deslizante.
17. Soporte para conducción de cable.
18. Limitador de carga.
19. Final de carrera de traslación del carro.
20. Topo de accionamiento final del carro.
21. Radio (opcional).
22. Topes de carro en mono viga
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A continuación se procede a detallar las partes principales que comprende el
sistema de izaje tipo grúa puente:
2.4.3.1 Mecanismo de elevación y traslación
Es el sistema que cumple con la función básica de izar la carga y transportarla a lo
largo de un recorrido predeterminado según las condiciones de diseño. Para ello utiliza
una o dos velocidades generalmente, es decir, una velocidad de precisión o lenta y otra
velocidad rápida.
El mecanismo de elevación, comúnmente denominado polipasto se compone de las
siguientes partes fundamentales:
El aparejo móvil, el tambor del cable, el reductor, el freno y el motor de
accionamiento. Todos estos elementos conforman un sistema compacto incluyendo un
conjunto de elementos auxiliares.
Por su parte, el mecanismo de traslación se divide en dos mecanismos, el carro y el
equipo de traslación del puente (testero). El carro permite la traslación de la carga y del
polipasto a través de la Luz de la grúa puente.
Están integrado los siguientes componentes: El reductor, motor de accionamiento,
ruedas, rodamientos y ejes, formando parte de la viga testera o 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
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La elección del mecanismo de elevación de un puente grúa es función de la capacidad
de carga y de la luz del puente grúa.
2.4.3.1.1 El polipasto monorriel
Este mecanismo de elevación se caracteriza por su constitución en línea y por su
tendencia hacia el mínimo peso propio. La estructura resistente está conformada por las
propias carcasas de los mecanismos de accionamiento, reducción y eléctricos.
Este tipo de mecanismo cubrirá el campo de aplicación de manutención de cargas
bajas.
2.4.3.1.2 El carro polipasto
Se utiliza para la manutención de cargas de nivel intermedio. Sus características
principales son la simplicidad del polipasto y la rodadura sobre dos carriles que le
permite la elevación del nivel de carga.
Para este mecanismo de elevación, la estructura resistente esta compuesta por uno
o dos travesaños sobre los cuales apoyan todos los mecanismos de elevación,
accionamiento o traslación, si existe. Así mismo lleva uno o dos largueros donde
apoyan los rodillos de rodadura.
2.4.3.1.3 El carro abierto
Es el mecanismo de elevación de cargas elevadas, por excelencia, su estructura
resistente, robusta, es capaz de soportar las fuertes cargas verticales y de transmitir los
esfuerzos generados por la carga útil a los rodillos de rodadura.
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2.4.3.2 La viga principal o viga puente
Es elemento que soporta la carga útil, su propio peso y demás equipos auxiliares de
una grúa puente, permitiendo absorber los esfuerzos generados por las diferentes
cargas aplicadas y transmitirlas a una estructura fija.
Para el manejo de cargas bajas, es frecuente utilizar puentes grúas de una única viga
principal, recorrida por un polipasto simple o monorriel.
Cuando la carga útil sobrepasa las 10 toneladas, es normal la disposición de doble
viga principal, recorrida por un carro polipasto birriel.
En el primer caso, es decir, cuando la máxima carga a transportar no supera las 4
toneladas, la viga principal está constituida normalmente por un perfil laminado en
forma de “I”. Los rodillos de rodadura del polipasto suelen circular por las alas inferiores
del perfil.
Cuando la carga útil es elevada, ambas vigas principales, unidas por vigas testeras
en sus extremos, son fabricadas en diferentes formas: vigas en celosía, viga de
vierendeel y viga cajón.
Para este trabajo especial de grado se cuenta con una grúa puente con una viga
principal de perfil laminado.
La viga cajón está constituida por cuatro láminas de acero que confinan una sección
rectangular o cuadrada. Su utilidad se debe fundamentalmente a la sencillez del
proceso de fabricación. Por otra parte, los procesos realizados en las técnicas de
soldadura han permitido la construcción de alta resistencia ante efectos de flexión y
cortadura. Con este nuevo estilo de construcción se consigue disminuir el costo global
de la estructura.
2.4.3.3 Viga testera
Es la estructura que se une o acopla a la viga principal para permitir la traslación del
puente a lo largo de un recorrido predeterminado. Para facilitar su funcionalidad, se le
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
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.4.3.4 Camino de rodadura o Vía de Rodadura
Es el sistema que cumple con la función de permitir una fácil rodadura del elemento
rodante, conformar un perfil equilibrado y presentar un valor adecuado de la inercia en
la grúa puente. En la totalidad de las grúas puente se utiliza como medio de rodadura la
rueda de acero sobre el carril metálico. Únicamente las grúas vehiculares y pórticos
auto-portantes utilizan rodaduras de tipo neumático-asfalto.
El sistema de rodadura por carril metálico implica la selección y cálculo de la rueda y
el propio carril. Para ello se parte de un numero de ruedas determinadas, sabiendo la
carga por ruedas se selecciona el carril y sí es necesario se aumenta el número de
ruedas.
El diseño continúa comprobando la rueda para el carril seleccionado, si la rueda no
se ajusta hay dos posibilidades: aumentar el diámetro de la rueda o aumentar el número
de ruedas.
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
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.4.3.5.2 Carril tipo Burbach
Es frecuente el empleo de carriles Burbach, que presentan una cabeza ancha para
soportar las grandes cargas y un patín muy ancho que facilita la fijación. Es el más
utilizado en rodadura de aparatos tanto por carriles elevados como sobre fundación de
hormigón.
49
Figura 2.17. Carril tipo Burbach
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.4.3.5.3 Carril tipo Vignole
Existe una tendencia a utilizar carril tipo Vignole frente al clásico perfil tipo
Burbach, debido a su mayor relación inercia/peso. Actualmente se utiliza únicamente en
rodaduras de ferrocarriles.
Figura 2.18. Carril tipo Vignole
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.4.3.5.4 Carril tipo Plano
Es utilizado para elementos de rodadura sin pestaña. En la figura se muestra el
perfil del carril plano
Figura 2.19. Carril tipo Plano
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.8 Número de ciclos a carga plena basados en la clase de grúa
El número de ciclos a carga plena de los criterios de la fatiga de CMAA para el
diseño de la grúa se enumera en la Tabla 2.4 y 2.5.
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
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
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
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Notas:
(1) De la carga máxima por eje, sobre riel.
(2) De la suma de los pesos de: (a) la capacidad de levantamiento de la grua (b) el
peso propio de la grúa. Aplicada ½ al extremo de cada riel, en cualquier dirección
y perpendicular a los rieles.
(3) De la carga máxima al eje, aplicada al extremo del riel.
(4) Los rieles guía de la grúa también deben diseñarse para las fuerzas que se
generan al detener la grúa. Esas fuerzas son las resultantes de detener
súbitamente la grúa al 40% de la velocidad máxima de operación, de acuerdo
con ANSI/ASME B30.22.
Se debe tener en cuenta que el empuje lateral total debe ser el mayor valor entre
lo especificado n la tabla anterior o el 10% del peso combinado de la carga máxima a
levantarse y el peso de la grúa puente sin carga.
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
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
2.10.1 Geometría de la sección
Si las relaciones ancho/espesor del patín y peralte/espesor del alma no
fuesen adecuadas, los elementos de la sección tenderán a pandearse con bajos
esfuerzos de compresión. Esta compresión se debe a la flexión más algunos esfuerzos
debidos a cargas axiales.
67
Figura 2.23. Dimensiones del perfil W
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Este factor no es muy importante como los requerimientos de soporte lateral ya que
no se tiene control sobre la geometría de la sección y es el productor de perfiles
laminados quien controla este aspecto.
La geometría de un perfil laminado puede ser tal que se produzca una sección
compacta o no compacta.
(Para secciones no compacta).
(Para secciones compactas)
Comprobación de una sección compacta
Una sección compacta es aquella en la que se produce una plastificación de la
sección antes de la falla, y esto ocurre cuando el esfuerzo máximo a flexión del borde
de la viga es igual al esfuerzo de fluencia. Cuando se sigue incrementando el momento
flector de la viga, el esfuerzo del borde no se eleva, sino que se propaga de manera
total al interior de la sección con la cual la viga puede soportar un momento flector un
poco mayor al de fluencia sin que esta quede deformada plásticamente. Cuando se da
la plastificación total de la sección y el momento flector se incrementa, la viga se
deforma plásticamente.
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
Fuente: Armijo (2007)
Figura 2.35. Junta en “T” Fuente: Armijo (2007)
2.15.8 Configuración de Biseles.
Las ranuras mismas, dependiendo de su uso final (mantenimiento normal y
reparación; uso en alta presión, con sellamiento hermético; y así sucesivamente)
pueden prepararse por cualquiera de los métodos siguientes: corte a la llama,
esmerilado, corte en sierra, fresado y cizallado. La selección de las aberturas en la raíz
85
y los ángulos de ranura está influida también en alto grado por los materiales a unir, la
localización de la junta en el conjunto soldado y el desempeño 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
Fuente: Armijo (2007)
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
Fuente: Armijo (2007)
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
Fuente: Elaboración propia
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
Fuente: Elaboración propia
De acuerdo con las ecuaciones para elementos en equilibrio estático tenemos:
Sumatoria de fuerzas
+ ΣFy=0
ΣFy=2Rr1+2Rr4-Wtotal=0
Donde:
Wtotal=2Wv+2Wt+Pp+Cn+Ci=43128+18638,96+22226.4+196000+19600
Wtotal=288499,16 N
109
Sustituyendo:
2Rr1+2Rr4 = 299.631.36 N Ec. #3
Sumatoria de momentos
(Medidas en metros)
Figura 4.8 Vista frontal de la grúa puente Fuente: Elaboración propia
Sumatoria de momentos en el punto “B”
+ ΣMb=0
ΣMb=1(3.53Wt) – 8(3.53Wt) - 1(2Rr1) - 3.5(2x9xWv) + 8(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
V@3.05m= 121 190.06 N
V@7.57m= 48 823.23 N
Momentos Flectores en la viga
M1= 72 361.83 N x 3.05 m= 220 703.58 N.m
M2= 48 828.23 N x 4.52 m= 220 703.58 N.m
Mmax= 220 703.58 N.m
114
Figura 4.10 Diagrama de fuerza cortante y momento flector Fuente: Elaboración propia
Del análisis anterior se tiene que:
Mmax= -220.703,6 N.m
Y ocurre en el centro de la viga, es decir a 3.785 m.
V@3.785m= 72.361,83 N
115
B. Estado de Carga II: Carro testero ubicado en el centro de la viga carrilera
Figura 4.11 Estado de carga de la viga carrilera Fuente: Elaboración propia
Rr1=Rr2= 121.190,05 N
Análisis Estático
Sumatoria de fuerzas
+ ∑ Fy=0
∑ Fy=Rs1+Rs2-Rr1-Rr2=0
Se realiza el análisis para verificar el Mmax que actúa en la viga carrilera, ya que el
diseño se basa en el diseño a flexión.
Sumatoria de momentos
+ ∑Ma=0
∑Ma= 7.570Rs2 – 2.26 Rr1 – 5.31 Rr2 = 0
Rs2= 121.190,05 N
Rs1= 121.190,05 N
116
Diagrama de fuerza cortante y Momento Flector
Fuerzas Cortantes en la viga
V@0m= 121 190.05 N
V@7.57m= 121 190.05 N
Momentos Flectores en la viga
M1= 121 190.05 N x 2.26 m= 273 889.513 N.m
M2= 121 190.05 N x 2.26 m= 273 889.513 N.m
Mmax= 273 889.513 N.m
Figura 4.12 Diagrama de fuerza cortante y momento flector de la viga carrilera Fuente: Elaboración propia
117
Del análisis anterior se tiene que:
Mmax=-273.889,5 N.m
Vmax= 121.190,05 N
Se puede apreciar que el momento máximo se da en el estado de carga II, por lo
tanto el análisis para el diseño de la viga carrilera se tomara con dicho estado de
carga.
Tomando el estado de cargas II analizado en el punto anterior y tomando como
referencia la norma AISC tenemos que:
Fb= 0.66 Sy
Donde
Fb: Esfuerzo máximo permisible (MPa)
Sy: Esfuerzo de fluencia (Mpa)
Mmax: Momento máximos en la viga (N.m)
Smin: Modulo de sección elástico mínimo de la sección transversal (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
Fuente: Elaboración propia
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
Sumatoria de fuerzas
+ ∑ 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
Fuerzas Cortantes en la viga
V@0m= 126 462.6 N
V@2.26m= 2124.32.05 N
Momentos Flectores en la viga
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
Fuente: Elaboración propia
Perfil Peso
Rs1=Rs2
Vmax
Mmax@3.785mts V@3.785mts
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
Fuente: Elaboración propia
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
V@3.785
(N) M max@3.78m
(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
Fuente: Elaboración propia
Perfil Factor de Seguridad ( )
W24x94 3.75
W21x93 3.2
W12X210 5.05
4.11 Calculo de deflexión de la viga carrilera
Para todas las estructuras a diseñar de acuerdo con las normas de la AISC, debe
documentarse en el diseño, la deflexión máxima para elementos que trabajan a flexión.
Los criterios de deflexión deben considerar el AISC-Manual of Steel Construction, y se
encuentran en la siguiente tabla:
TABLA 4.17. Valores de deflexión máxima permitidas por la AISC Fuente: AISC 2005
Nota: Deflexión del Riel = Deflexión de la viga, debido que el riel tiene menor inercia
que la viga carrilera, por lo tanto menos resistencia a la flexión y al estar rígidamente
conectado a ella el desplazamiento vertical del riel será el de la viga carrilera. Entonces
para el cálculo de deflexión se debe incluir el peso del riel es cual según la figura 4.20,
el peso del riel
139
Wriel= 294 N/m
IRIELASCE60= 606 cm4
En este caso para el cálculo de la deflexión máxima de la viga carrilera tenemos que:
δmax
En esta sección se verificara esta condición de diseño por el método de superposición
de acuerdo a las especificaciones explicadas en el libro de diseño de ingeniería
mecánica de SHIGLEY
Figura 4.22. Deflexión en la viga carrilera Fuente: Elaboración propia
δmax= δcarga puntual + δcarga distribuida=1.009 cm
De la Tabla A-9 del libro de SHIGLEY (2008) se obtienen las formulas para cada caso
Donde:
w=Wv=peso de la viga carrilera (N/m)
140
L=Longitud de la viga carrilera (m)
a=Distancia del punto de aplicación de la carga con 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
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Sp = Resistencia de prueba mínima= 120 Kpsi = 827.38 Mpa
Sy= Resistencia mínima a la fluencia= 130 kpsi = 896 Mpa
Se toma la formula de resistencia al corte del perno (Shigley)
Asumiendo un F.S= 2.5
Tomando como valor
145
Figura 4.26. Dimensiones de tuercas hexagonales
Fuente: Silva, Cesar. Morales, Santiago. (2011)
Long perno= 22.2 + 19.05 +19.05 + 2 + 2= 64.3 mm= 2,53 plg.
Tomando como longitud perno = 3 pulg (comercial)
LT= 2d + ¼ L ≤ 6 pulg según Shigley
LT= 2 pulg
Long no roscada = L-LT= 1 pulg = 2.54 cm =25.4 mm
146
Como se observa la longitud no roscada es mayor al espesor del ala entonces el área
no roscada es la que está sujeta a cortante.
Tomando 4 pernos para la sujeción de la viga tenemos:
Según la norma AISC los pernos deben estar separados 3d del borde y entre pernos
la separación debe ser de 1.75d, siendo “d” el diámetro nominal de los pernos por tanto.
Separación del borde
3d = 2.025 pulg = 6.6 cm
Separación entre pernos > 1.75d= 1.53 pulg = 3.9 cm
La distribución de los pernos quedaría así:
Figura 4.27. Vista de planta de la viga carrilera con los pernos
Fuente: Núñez, Fabián. Araujo, Ender. (2013)
147
Figura 4.28. Distribución de la fuerza cortante y momento actuante en los pernos
Fuente: Núñez, Fabián. Araujo, Ender. (2013)
Donde
V= 15190 N
Ma= 24080.49 N.m
Figura 4.29. Distribución de fuerzas en cada perno
148
Fuente: Núñez, Fabián. Araujo, Ender. (2013)
Los pernos 2 y 4 son los más críticos debido a que en ellos los cortantes se suman
Donde
Resolviendo
Por cortante en el perno
149
Por fluencia
El factor de seguridad por fluencia esta dentro de los límites establecidos, ya que la
fuerza lateral en la viga carrilera no es una fuerza estática, sino que aparece cuando el
polipasto está cargado y frena, o cuando frena con los topes de carrera del polipasto
por lo tanto si no se toma en cuenta la carga nominal y se considera el frenado del
polipasto el F.S de los pernos aumenta, teniendo como cargas actuantes en los pernos
las siguientes:
Ra= 4409.99 N
Ma= 6991,1 N.m
Calculando los valores de esfuerzos cortantes, tenemos
Por lo tanto por cortante en el perno:
Por fluencia:
150
4.15 Calculo de Soldadura
Vigas carrileras (Empalme)
En cuanto a la soldadura en las uniones superiores del ala de la viga se trabajara
con bisel con el fin de realizar una soldadura pasante que cumpla con las
especificaciones de la AWS, este biselado se hace normalmente con la ayuda de la
pulidora o del esmeril, dando por resultado un grado de penetración apropiado para la
junta. Luego de realizar este procedimiento se debe 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.
Fuente: Elaboración propia
155
4.16 Diseño de nuevos soportes
Gracias a estudios previos de los soportes existentes en el galpón del taller comercio
que se utilizarían para el apoyo de la viga carrilera, mediante el paquete computacional
SOLIDWORKS, se obtuvo como resultado que dichos soportes no están capacitados
para soportar la carga ejercida por la grúa puente en estos, por lo tanto es necesario el
diseño de nuevos soportes
Cálculos para el diseño de los soportes
Figura 4.33 Estado de cargas del soporte Fuente: Elaboración propia
Según los cálculos obtenidos por el programa de simulación SOLIDWORKS, para el
soporte de sección variable, bajo el efecto de la carga Rs1= 126 330 N, el factor de
seguridad es igual a 0.34 (ver figura 5.3)
156
Donde:
W=
Rs1= Reacción ejercida por la viga carrilera sobre el soporte (N) = 126 330 N
bf= Ancho del soporte = 0,23 m
W= 126 330 N / 0,23 m=549 260.87 N/m
Debido a que no se conoce el perfil del soporte, se realiza un análisis aproximado
despreciando el peso del perfil, luego al tener un valor de inercia se comprueba que el
perfil cumpla con las condiciones solicitadas, entonces tenemos que:
Asumiendo
Factor de seguridad = 3
Sy = 250 Mpa
Sustituyendo:
157
Como no se conocen las dimensiones del perfil del soporte, el momento de área (Q)
de la sección, no se conoce, por lo tanto, tomando solo el esfuerzo normal
Del análisis estático tenemos que
M= 23697.33 N.m
Con el Modulo de sección elástico (S) calculado, seleccionamos varios tipos de
perfiles que se acerquen a dicho valor, dadas a continuación en la siguiente tabla
especificando su geometría y su respectiva inercia.
Tabla 4.22 Dimensiones de los perfiles seleccionados para el nuevo 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.
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
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: Milímetros
Anexo 4. Plancha conexión viga principal-testero #2
Fuente: (Elaboración propia)
Anexo 5. Tablas de propiedades de perfiles W. Fuente. Catalogo MAPLOCA
Anexo 6. Tablas de propiedades de perfiles W. Fuente. Catalogo MAPLOCA
Anexo 7. Tablas de propiedades de perfiles W. Fuente. Catalogo MAPLOCA
Anexo 8. Tablas de propiedades de perfiles W. Fuente. Catalogo MAPLOCA
Anexo 9. Tablas de propiedades de perfiles W.
Fuente. Catalogo MAPLOCA
Anexo 10. Fachada Principal de Taller Comercio
Fuente: Núñez, Fabián (2012)
Anexo 11. Grúa puente de 25 toneladas. Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 12. Grúa puente de 25 toneladas. Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 12. Rueda del carro testero de la grúa. Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 13. Galpon Taller Comercio. Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 14. Fundaciones de las columnas del galpon. Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 15. Columnas y soportes existentes en el galpon Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 16. Vista Isométrica simulación de la grúa puente instalada.
Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 17. Vista Frontal de la simulación de la grúa puente instalada. Fuente. Araujo, Núñez (2013)
Anexo 18: Tabla selección de rieles
Fuente: CMAA #70