ESTUDIO DE OPTIMIZACIÓN DE PASARELAS METÁLICAS PARA MANTENIMIENTO REALIZADO EN 3J3D

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María Rosa Correa García
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1 ESTUDIO DE OPTIMIZACIÓN DE PASARELAS METÁLICAS PARA MANTENIMIENTO REALIZADO EN 3J3D 1 de 19

2 INDEX 1. ANTECEDENTES 2. METODOLOGIA DE TRABAJO DE 3J3D 3. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA 4. CALCULO ESTRUCTURAL 4.1. APLICACIÓN DE CARGAS AL MODELO 4.2. CALCULO TENSIONAL I VERIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES 4.3. CÁLCULO DE UNIONES METALICAS 4.4. APTITUD AL SERVICIO DE LA ESTRUCTURA 5. CONCLUSIONES 2 de 19

3 1. ANTECEDENTES La empresa PIASA se dedica a la construcción de estaciones para tratamientos de aguas residuales ya sean urbanas o industriales. Para la accesibilidad y mantenimiento de sus instalaciones, necesitan construir pasarelas metálicas permanentes donde las luces oscilan entre los 15 i 30m. Los problemas que surgieron en la elaboración de dichas pasarelas eran básicamente dos: - Coste en kilos de acero muy elevado, debido un sobredimensionado excesivo en los perfiles metálicos. - Necesidad de sustituir las uniones soldadas en obra por uniones atornilladas. Con el fin de cubrir las necesidades que requerían este tipo de pasarelas, se llevo a cabo un estudio tanto a nivel de cálculo estructural, como a nivel de diseño para un montaje óptimo, seguro y económico. 2. METODOLOGIA DE TRABAJO EN 3J3D Nuestra empresa dispone de los softwares más potentes del mercado en lo referente al cálculo y diseño de estructuras metálicas. Mediante el software TEKLA STRUCTURES (XSTEEL), realizamos un modelo en 3D de la estructura. A partir del modelo 3D, se aplican cargas, y se optimiza el modelo mediante potentes software de calculo completamente integrados en el software de diseño como pueden ser PowerFrame, STAADpro, Robot etc... La integración del software de diseño con el de cálculo nos permite diseñar y calcular a la vez, ganando así, seguridad y velocidad, ya que TEKLA, genera listados de material, planos generales, y planos de despiece automáticamente. 3 de 19

Los problemas que surgieron en la elaboración de dichas pasarelas eran básicamente dos: - Coste en kilos de acero muy elevado, debido un sobredimensionado excesivo en los perfiles metálicos.

3. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA Primeramente se procedió a un diseño de la estructura que permitiera gran facilidad para el transporte y rapidez en el montaje a obra.

4 3. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA Primeramente se procedió a un diseño de la estructura que permitiera gran facilidad para el transporte y rapidez en el montaje a obra. Se proyectaron uniones atornilladas de alta resistencia. Algunos ejemplos del diseño se muestran a continuación. Algunos ejemplos del diseño. Alzado de la Pasarela Detalle de Unión Atornillada de Esquina Detalle de Empalme de Vigas 4 de 19

Se proyectaron uniones atornilladas de alta resistencia.

Comentarios: Se diseñaron las uniones para que la ala Superior de las vigas quedara libre, con la finalidad de poder apoyar el tramex de una manera sencilla.

5 Comentarios: Se diseñaron las uniones para que la ala Superior de las vigas quedara libre, con la finalidad de poder apoyar el tramex de una manera sencilla. El cálculo corroboró que no era necesario rigidizar las placas de anclaje. Detalla de Anclaje 4. CÁLCULO ESTRUCTURAL Con un primer diseño de la estructura, se procedió a un cálculo estructural para optimizar los perfiles y estudiar el comportamiento de la estructura en servicio. 4.1 Determinación y Aplicación de Cargas al Modelo. El software de diseño 3D (TEKLA Structures), permite la introducción de cargas superficiales de una manera sencilla, y automáticamente, reparte y transforma estas cargas superficiales a cargas lineales en los elementos de la estructura. Los puntos relevantes en esta fase del estudio se comentan a continuación. Estudio de la Normativa que afecta a este tipo de estructuras, para determinar el valor de las cargas a considerar Aplicar las cargas al modelo. Realizar las combinaciones de carga que se creieron necesarias. 5 de 19

CÁLCULO ESTRUCTURAL Con un primer diseño de la estructura, se procedió a un cálculo estructural para optimizar los perfiles y estudiar el comportamiento de la estructura en servicio. 4.

4.2 Cálculo Tensional y Verificación. Introducción de Cargas al Modelo 3D En este punto se realiza un análisis estructural del modelo 3D, con STAADpro.

6 4.2 Cálculo Tensional y Verificación. Introducción de Cargas al Modelo 3D En este punto se realiza un análisis estructural del modelo 3D, con STAADpro. Este es uno de los softwares totalmente integrados en TEKLA. Se realiza a continuación un cálculo de esfuerzos, tensiones, y verificación de resistencia e inestabilidades. 6 de 19

estructural del modelo 3D, con STAADpro.

7 Representación de Momentos Flectores en la Estructura. Representación de Tensiones en la Inercia Variable de la esquina. 7 de 19

8 Con estos datos el Software es capaz de Verificar y Optimizar los perfiles de nuestro modelo. 4.4 Cálculo de Las Uniones En 3J3D disponemos de hojas de cálculo para analizar y optimizar las uniones mas frecuentes en estructura metálica. Estas hojas de cálculo se comunican automáticamente con el software de Diseño y Cálculo, es decir, también tenemos el cálculo de uniones integrado en un mismo software. Una de las grandes ventajas que tenemos, es la posibilidad de poder actuar sobre las hojas de cálculo integradas y adaptarlas a cualquier tipo de unión metálica. Un ejemplo del cálculo de una unión realizado con una hoja de Excel integrada en TEKLA, se muestra en el Anejo adjunto. 4.5 Aptitud al servicio de la Estructura. En este punto del estudio se realizan las siguientes comprobaciones: Estudio de Deformaciones: Se verifica que las flechas máximas esten por debajo de lo que recomienda la normativa pertinente. Estudio de Modos de Vibración de la estructura: Se analiza las frecuencias propias del sistema para controlar que esten alejadas de la frecuencia de paso de las personas. De esta manera eliminamos la sensación de inseguridad que causan las vibraciones al andar. El estudio realizado en 3J3D, demostró que el parámetro determinante en el dimensionado de la estructura eran las vibraciones de esta, ya que con luces superiores a 18m, las restricciones de flecha que indica la normativa (Luz/200) no eran suficientes para las vibraciones. 8 de 19

Estas hojas de cálculo se comunican automáticamente con el software de Diseño y Cálculo, es decir, también tenemos el cálculo de uniones integrado en un mismo software.

9 Deformaciones en la Estructura Modos de vibración: 9 de 19

10 Primer Modo: 3.43Hz Segundo Modo: 3.75Hz Cuarto Modo: 4.97Hz Los 10 primeros Modos 10 de 19

11 Se puede Observar que los modos de vibración con las frecuencias mas bajas son superiores a 3Hz, que es el valor umbral para el confort al paso de las personas. 5. CONCLUSIONES Mediante el análisis y diseño de la pasarela llevado a cabo en 3J3D, se ha conseguido: Reduccion de Peso: Mediante el cálculo se ha conseguido optimizar considerablemente el peso de la estructura. Se compara a continuación la perfileria usada actualmente en la construcción de la pasarela con la perfileria optimizada por 3J3D. Perfileria Inicial: Pilares: HEB 220 Bigas: IPE 400 Arriostramiento: UPN 50 (P esp) Cruces: Macizo cuadrado 20x20mm Peso = 1425 Kg Peso = 2724 Kg Peso = 119 Kg Peso = 42Kg PESO TOTAL = 4310 Kg Perfileria Optimizada: Pilares: HEB 180 Bigas: IPE 300 Arriostramiento: L 40*4 Cruces: No eran Necesarias Peso = 1023 Kg Peso = 1679 Kg Peso = 52 Kg Peso = 0 Kg La reducción en material resultó el 63,8% PESO TOTAL = 2754Kg Reduccion de Mano de Obra: Mediante calculo, se verifico que no era necesario acartelar las placas de anclaje ni tanpoco era necesario arriostrar el cordon inferior de las vigas en zonas de momento negativo. Reduccion de Tiempo de Montaje: Mediante un diseño de la pasarela con uniones atornilladas 11 de 19

estructura. Se compara a continuación la perfileria usada actualmente en la construcción de la pasarela con la perfileria optimizada por 3J3D.

12 ANEJOS Ejemplo de Los cálculos realizados en la unión de esquina con Cantonera 12 de 19

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