12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE ENGENIERIA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015

Transcripción

1 12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE ENGENIERIA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015 DISEÑO DE UNA TORRE ESTRUCTURAL DE TRANSFERENCIA DE 15.4 m DE ALTURA PARA LA ZONA DEL PROCESO DE SECADO DE LA PUZOLANA. Dr. Luis Orlando Cotaquispe Zevallos lcotaqu@pucp.edu.pe Pontificia Universidad Católica del Perú, Facultad de Ciencias e Ingeniería Palabras claves: diseño, estructuras, pandeo y rigidez RESUMEN La minería y la construcción son dos de los rubros económicos de mayor importancia en nuestra región. Dentro de estas industrias, en algunas ocasiones es necesario el trabajo de equipos o maquinarias a un nivel elevado al del suelo. Como respuesta a esta necesidad, se emplean las llamadas torres estructurales de transferencia, las cuales reciben este nombre debido a que sirven de apoyo para equipos de transporte y elevación; además de esto, dichas torres cuentan con diversas aplicaciones, tales como trabajar a diferentes niveles de altura y manejar áreas y espacios adecuados para las maquinarias ligeras y pesadas. En el caso específico del proyecto que se desarrolló en Condorcocha, Tarma-Junín, para una planta de cemento para el secado de puzolana, se hizo uso de dichas torres. En la figura 1, se muestra la vista de planta de la torre de transferencia del proyecto en las cuales se muestran las conexiones implícitas de la torre. Por esta razón, el presente trabajo presenta un estudio por niveles de altura para el análisis y desarrollo de la torre estructural de transferencia N 3, la cual alberga, recibe y transfiere diversos equipos y maquinarias (ver figura 2). PALABRAS CLAVE: diseño, estructuras, pandeo y rigidez

2 ANÁLISIS FUNCIONAL DE LA TORRE DE TRANSFERENCIA La metodología de cálculo que se aplica sobre la torre de transferencia, está en función de las cargas actuantes que generan los diversos equipos que necesitan de apoyarse sobre esta torre para poder cumplir con las funciones que garanticen un óptimo funcionamiento del proceso de secado de la puzolana. Es importante resaltar que estos equipos y maquinarias instalados en la torre de transferencia están a diferentes niveles de altura como se puede observar en las figuras 1 y 2, esto indica que deberá hacerse un análisis de cargas en las bases de los pisos de la torre por nivel, para poder garantizar un adecuado equilibrio ante las cargas externas actuantes [1]. Fig.1: Vista de planta de la Torre de transferencia

3 Fig.2: Vista B-B de la Torre de transferencia

4 DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS SOBRE LA TORRE DE TRANSFERENCIA ANÁLISIS DE LAS COLUMNAS A COMPRESIÓN Como se observa en la figura 2 (vista B-B) la torre de transferencia recibe a la faja transportadora 5.8 en el nivel N: 3.4 m y la reacción de apoyo evaluada para esta faja resulto R 6 = 3000 kg; luego de las figuras.2 y 3 se observa el nivel N: 6.4 que la torre soporta al FILTER (5.20) que genera una carga de kg, este filtro es de gran altura y se conecta a una tubería de descarga (5.21.2) que pesa 1220 kg; a partir de este nivel la torre de transferencia servirá para proteger al filtro y sus accesorios del medio ambiente mediante cobertores estándar [2]. Finalmente asumiendo una carga viva de cuatro operarios para el control y operaciones, así como el peso de las escaleras típicas mostradas en las figuras 2 y 6; para finalizar con el peso muerto de la estructura de la torre de transferencia. Después de este análisis se puede determinar el Diagrama de Cuerpo Libre (DCL) sobre la torre de transferencia y evaluar sus componentes estructurales mediante las diversas normativas de cálculo. El resultado de este análisis se presenta con su forma constructiva adecuada para cada caso, luego se presenta la evaluación de los perfiles seleccionados en función de las cargas actuantes por nivel sobre la torre de transferencia Finalmente la información obtenida es la siguiente: Carga vertical en la torre + cargas : (32000/4) kg ( ) N: 3.4 m. Perfil para columna y área : W 10 x 33; 5m x 5m Método omega [3] : ; ver tablas 2 y 3 Carga vertical en el marco crítico : (19200/2) kg ( ) N: 6.4 m Perfiles para marco exterior : W 10 x 33 Perfiles para marco de apoyo : W 12 x 40 N: 6.4 m Materiales en general [4] : Acero estructural ASTM - A36 En la tabla 1 se presenta el análisis por pandeo (método ) de las cuatro columnas de la estructura de la torre de transferencia ; Tabla 1: Verificación de las columnas de apoyo de la torre de transferencia por el método Torre Transfer Perfil de la Columna A (mm 2 ) Peso Torre + cargas/4 (kg) L P = 2L (mm) (Tabla 3) c (kg/mm 2 ) c. (kg/mm 2 ) adm (Tabla 2) (kg/mm 2 ) W 10 x Tabla 2: Esfuerzos admisibles para aceros estructurales recomendados por el método Acero adm (kg/mm 2 ) St St.52 21

5 Tabla 3: Coeficientes de pandeo ω para acero St.52. DIN hoja1 ANÁLISIS DE LOS MARCOS ESTRUCTURALES A FLEXIÓN El DCL para los niveles N: 3.4m y N: 6.4m se presentan detallados en las figuras 3 y 4, en donde se considera la carga de la faja 5.8 para el nivel N: 3.4m y la del FILTER 5.20 como críticas para el nivel N: 6.4m. Además el FILTER está soportado por las vigas W 12 x 40. Fig.3: Selección de los perfiles estructurales para el nivel N: 3.4m

6 Fig.4: Selección de los perfiles estructurales para el nivel N: 6.4m Los resultados del análisis de la viga a flexión para el nivel más cargado se presentan en la tabla 4, para dos cargas puntuales de 3400 kg cada una, distanciadas entre ellas en la viga a 2.12 m; para una distancia entre apoyos de 5 m. Tabla 4: Resumen del análisis por flexión para el nivel crítico Torre Nivel (m) Tipo de viga I (mm 4 ) d (mm) M (kg.mm) (kg/mm 2 ) (kg/mm 2 ) FS Transfer N: 6.4 W12 x Como se observa de los resultados en la tabla 4, el FS es confiable bajo cargas de trabajo, a pesar de que no se le han considerado en su análisis a las estructuras de refuerzo (secundarias) según las figuras 2, 3 y 4. DETERMINACIÓN DE LA RIGIDEZ DEL MARCO ESTRUCTURAL CRÍTICO Para terminar de analizar la estructura soporte (plataforma) del nivel N: 6.4 m; se deben de considerar las deformaciones originadas por las cargas actuantes y definir la rigidez de la plataforma soporte. Este análisis está basado en los tipos de cargas mostrados en la figura 5, los cuales por el principio de superposición de efectos de las cargas servirán para evaluar las deformaciones críticas sobre la plataforma. Fig.5: Deformaciones en vigas cargadas [5]

7 Además en la tabla 5 se presentan los resultados del referido análisis y su comparación con la recomendación de la ASTM acerca del tema de la rigidez crítica para construcciones estructurales y cuyo valor de comparación es R ASTM = [6]. Tabla 5: Resumen del análisis por rigidez estructural Torre Nivel Tipo de 2.δ 1 R T Transfer viga (kg/mm 2 ) (mm 4 ) (mm) (mm) (kg) (mm) N:6.4 W12 x x R ASTM Finalmente en la figura 6 se presenta como resultado final el diseño estructural de la torre de transferencia Fig.6: Definición de los perfiles estructurales según vista A-A en la Torre de transferencia

8 CONCLUSIONES 1. La torre estructural de transferencia analizada presenta cuatro direcciones o líneas de trabajo, pero lo más importante es que estas direcciones pueden tener diversos niveles de altura para el trabajo de los equipos. 2. La torre de transferencia presenta un cambio en el tipo de los perfiles estructurales, esto ocurre a partir del nivel N: 6.4m; debido a la ausencia de cargas por equipo y por estar solicitado solamente para servir de base para anclar los cobertores de los equipos. Por lo tanto las columnas son de W 8 x 18 y los marcos son de C 8 x 11.5 (ver figura 6). 3. Respecto de los arriostres laterales para la torre, estos serán de doble ángulo cruzados por placa de unión soldada según la figura Acerca de los arriostres de las plataformas (ver figuras 3 y 4) en general son del mismo tipo que el marco principal, salvo casos en donde se requiera de una mayor o menor solicitación de carga como son los apoyos del FILTER (5.20). 5. Acerca del tema de las escaleras para la torre de transferencia se ha estimado una carga típica en función del estándar de las escaleras industriales que se ofertan para las construcciones metálicas, sobre el tema de los cobertores usados para el techado se indican en la referencia [2]. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. Software SAP Versión Graphical Interface. USA Cobertores FIBRAFORTE. ISO ICONTEC. SC- CER PERÚ Norma DIN Bild 001. Berlín Handbook AISC. American Institute of Steel Construction, Inc. USA Strength of Materials; Pytel, A; Singer, F. OXFORD University Press. USA Handbook ASTM. American Society for Testing and materials. USA. 2010