INSTITUTO SUPERIOR TECNOLÓGICO DEL AZUAY TECNOLOGÍA SUPERIOR EN MECÁNICA INDUSTRIAL PROYECTO DE TUTORIAS INTEGRADAS ESTUDIANTE: Ángel Mauricio Inga Morocho TUTOR/A ACADÉMICO: Ing. Pabló Ñauta FECHA: 19/07/2019 CICLO: Quinto. CIUDAD: Cuenca-Ecuador PERIÓDO ACADÉMICO: Mayo – octubre 2019 1. INDICE Contenido 1. Tema. ............................................................................................................................ 5 1.1. “Diseño y simulación de galpón de 171m2 de trabajo para la empresa tecnoproduccion” .............................................................................................................. 5 2.Localización ............................................................................................................... 5 3.Análisis de situación actual........................................................................................ 6 4.Antecedentes. ......................................................................................................... 6 5. Justificación de la propuesta de investigación ...................................................... 6 6.Población beneficiaria................................................................................................ 7 7.Objetivos: ................................................................................................................... 7 7.1 Objetivo general. ..................................................................................................... 7 7.2Objetivo especifico .................................................................................................. 7 8. Marco teórico ............................................................................................................ 7 8.1. Introducción a las estructuras metálicas. ............................................................... 7 8.2 Ventajas de las estructuras de acero. .......................................................................... 8 8.3 Desventajas de las estructuras de acero. ..................................................................... 9 8.4 Solidwoks 2015. ......................................................................................................... 9 8.5 Cargas en una estructura metálica. ........................................................................... 11 8.6 Componentes de un galpón. ...................................................................................... 11 8.7 Clasificación y tipología. .......................................................................................... 13 8.8 Productos para el proyecto del galpón. ..................................................................... 14 8.9 Perfiles. ..................................................................................................................... 14 8.10 Métodos de anclaje. ................................................................................................ 16 8.11 Conexiones simples. ............................................................................................... 17 8.12 Conexiones de momento. ....................................................................................... 17 8.13 Conexiones por soladura. ....................................................................................... 17 Soldadura Oxiacetilénica, ........................................................................................... 19 9. Metodología y cálculos............................................................................................... 22 9.1 Metodología. ......................................................................................................... 22 9.2 Cálculos. ................................................................................................................... 23 10. Recursos ................................................................................................................... 24 2 10.1. Recursos institucionales ................................................................................. 24 10.2. Recursos materiales ........................................................................................ 24 10.3. Recursos técnicos o tecnológicos ................................................................... 25 11. Resultados y discusión. ............................................................................................ 25 12. Conclusiones y recomendaciones. ............................................................................ 28 12. 1. Conclusiones......................................................................................................... 28 12. 2. Recomendaciones ................................................................................................. 28 12. Referencias bibliográficas ........................................................................................ 30 Bibliografía ..................................................................................................................... 30 13. Glosario. ................................................................................................................ 31 14. Contactos .............................................................................................................. 32 15. Anexos. ..................................................................................................................... 33 Imagen 1 Ubicación TECNOPRODUCCION. fuente: google mapas .......................................... 5 Imagen 2 plataforma gubernamental de gestión financiera. fuente: (sedemi.com, 2017) ............. 8 Imagen 3 SOLIDWORKS . fuente el autor ................................................................................. 10 Imagen 4 Estimación de pendiente y figura geométrica del galpón . fuente: El autor ................ 23 Imagen 5Perfiles en G conformados en frio . fuente DIPAC 2016. ............................................ 34 Ilustración 1 componentes estructurales de un galpón. fuente: google imagen ............ 12 Ilustración 2 Clasificación de estructuras . fuente: Estructuras UPS ............................. 13 Ilustración 3 Luz y separación entre correas. fuente: estructuras UPS .......................... 15 Ilustración 4 Luz y separación de largueros . fuente: estructuras UPS .......................... 15 Ilustración 5 Anclaje de metal - hormigón . fuente: estructuras UPS. ........................... 16 Ilustración 6 Tipos de uniones en soldadura. fuente: Indura en Veliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009 ...................................................................................................... 18 Ilustración 7. Tipos de unión fuente: Indura en Veliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009 ........................................................................................................................................ 19 Ilustración 8 soldadura SMAW fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo ........................................................................................................................................ 20 Ilustración 9 soldadura SAW fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo... 21 Ilustración 10 Selección de material en el software SOLIDWORKS. fuente: El Autor 25 Ilustración 11 Selección de sujeción fija. fuente. El Autor ............................................ 26 3 Ilustración 12 Selección de vigas y aplicación de fuerza. fuente: El Autor ................... 26 Ilustración 13 Selección de vigas y aplicación de fuerza. fuente: El Autor. .................. 27 Ilustración 14 Selección de vigas y aplicación de fuerza. fuente: El Autor. .................. 27 Ilustración 15 Aplicación de malla de estructurado .Fuente: El autor............................ 27 Ilustración 16. Comparación entre todos los resultados. fuente. El autor ...................... 28 4 1. Tema. 1.1. “Diseño y simulación de galpón de 171m2 de trabajo para la empresa tecnoproduccion” El presente proyecto tiene como visión, la puesta en práctica de las destrezas y conocimientos adquiridos en el entorno académico, por lo tanto, se analizará los diferentes métodos de estructurado. En el progreso del proyecto se evaluará las mejores opciones para el diseño del galpón. El proyecto planteado, se ejecutará durante el periodo académico actual comprendido entre 8 junio 2019 – 19 julio de 2019, en la empresa tecnoproduccion. 2.Localización El proyecto se ejecutó en la empresa TECNOPRODUCCION, ubicado en José de Cárdena y Felipe Serrano; cuyo propietario es el Tcnl. Pablo Parra. Se ejecutó el progreso del proyecto en la empresa antes mencionada, ya que es allí donde hay las facilidades para el desarrollo del diseño y dimensionamiento de las estructuras, ya que ahí se puede observar las falencias y necesidades para desenvolver el proyecto y concluir con éxito este propósito. Imagen 1 Ubicación TECNOPRODUCCION. fuente: google mapas 5 3.Análisis de situación actual. La empresa Tecnoproduccion presenta hace varios meses atrás una saturación en producción que no logran solventar ya que en este momento no cuentan con el espacio físico para aumentar el área de trabajo de la sección de producción, como segundo ítem importante es que la empresa quiere aumentar los servicios de embutición, siguiendo los puntos principales de necesidad se ha planteado el proyecto de tutorías integradas (P.T.I) dirigido a solucionar este problema en la empresa Tecnoproduccion. 4.Antecedentes. Un galpón es una construcción techada adaptable a un gran número de usos, cuya separación entre columnas permite grandes espacios libres de obstrucciones, con mayor libertad para la distribución de la tabiquería interna y un mayor aprovechamiento de las áreas útiles. Por lo general son estructuras de un solo nivel, con pavimento y fachadas, cerradas o no. Eventualmente pueden albergar mezcalinas destinadas a usos administrativos o de depósito. En todo caso, las características de estas estructuras conducen a importantes economías en la solución del sistema de fundaciones.” (Acero al día, enero 2007) En el Diccionario de la Real Academia Española de la Lengua, DRAE, ubica el origen de la palabra galpón en el nombre “calpulli”, unidad administrativa o grupo social en que se dividían ciertas comunidades mexicanas, al confundir los conquistadores el “calpulli” del que hablaban los aborígenes añorando el convivir juntos y sus comodidades, con sus casas, que se caracterizaban por su gran tamaño. Después a los españoles les gustó la idea de alojar a sus esclavos en algo que además de barato suponían era el gusto de sus forzados huéspedes. Y acogieron la palabra calpulli, españolizándola como es lo usual en estos casos. De “calpulli” a “galpón” no hay sino un pequeño paso fonético. (Acero al día, enero 2007) 5. Justificación de la propuesta de investigación La necesidad surge con el aumento de producción en la empresa, así como también el reducido espacio de trabajo en la planta actual de manufactura. Como segundo problema la empresa quiere aumentar un servicio como es a la embutición la cual requiere un espacio físico que se solventara con el galpón propuesto. Es fundamental tener y aplicar criterios necesarios que conlleven al análisis y diseño de galpones metálicos o naves industriales en este caso destinado para aumentar el espacio 6 físico de producción de la empresa; mediante el presente documento se realiza un análisis para el diseño de un galpón fabricado con estructura metálica, mediante la herramienta SOLIDWOKS 2015 y basado en el método que dispone la norma ecuatoriana de la construcción (NEC) vigente. 6.Población beneficiaria El proyecto ejecutado, beneficiara principalmente a la empresa Tecnoproduccion junto con ello a sus propietarios, clientes de la empresa y colaboradores. 7.Objetivos: 7.1 Objetivo general. Analizar y diseñar un galpón metálico utilizando el programa SOLIDWORKS 2015, mediante las recomendaciones de las normas ANSI/AISC 360 y la NEC15. El respectivo análisis y diseño del galpón se lo realiza porque en la empresa Tecnoproduccion se tiene la necesidad de un Galpón metálico destinado para el esparcimiento de producción. 7.2Objetivo especifico Investigar los diferentes métodos de estructurado. Definir los parámetros adecuados para el diseño del galpón. Definir los materiales idóneos que conformaran la estructura. 8. Marco teórico En el presente capítulo nombraremos conceptos y métodos de estructurado vinculadas con el desarrollo por fases del proyecto, se realiza una revisión de temas básicos y de importancia para la definición y métodos con sus respectivas normas que rigen en el país para una estructura metálica. Inicialmente se desarrolla el concepto de estructuras metálicas, su importancia, generalidades y clasificación, enfocándonos en las metas y objetivos que se quieren lograr a partir de las ventajas y desventajas de la misma. Se establecen conceptos propios para la comprensión del proceso de estructuras en metal mecánica y finalmente la descripción de la metodología utilizada para el plan de pruebas ejecutado en el proceso final. 8.1. Introducción a las estructuras metálicas. El acero estructural gracias a sus grandes ventajas en resistencia, versatilidad, durabilidad, rápida fabricación y montaje se lo comenzó a utilizar como una gran 7 alternativa en edificaciones y en el sector de la construcción en general. En Ecuador las estructuras metálicas empezaron a tener un gran crecimiento dentro de la industria de la construcción y donde actualmente las estructuras de acero son muy utilizadas en la construcción de edificaciones en varias partes del país. Imagen 2 plataforma gubernamental de gestión financiera. fuente: (sedemi.com, 2017) Este tipo de estructuras debido a que están compuestas por la combinación entre el hierro, carbono y varios elementos como el silicio, fósforo, azufre y oxígeno, conforman un conjunto de propiedades determinadas, por lo cual las estructuras de acero tienen sus ventajas y desventajas: 8.2 Ventajas de las estructuras de acero. Ductilidad: Es una propiedad característica de un material que al encontrarse sujeto a grandes esfuerzos de tensión tiene la capacidad de soportar grandes deformaciones. Un material dúctil al romperse sufre antes de su deformación, mientras que un material débil se rompe sin previo aviso. Alta resistencia: Cuando nos referimos a grandes luces es conveniente usar estructuras metálicas debido a su gran resistencia como elementos estructurales. Durabilidad: “Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado durarán indefinidamente. Investigaciones realizadas en los aceros modernos, indican que bajo ciertas condiciones no se requiere ningún mantenimiento a base de pintura” (McCormac, 2012, pág. 2). 8 Uniformidad: A diferencia del hormigón armado, las propiedades de las estructuras de acero no cambian con el pasar del tiempo. Tenacidad: Un miembro de acero cargado hasta que se presentan grandes deformaciones será aún capaz de resistir grandes fuerzas. Ésta es una característica muy importante porque implica que los miembros de acero pueden someterse a grandes deformaciones durante su fabricación y montaje, sin fracturarse, siendo posible doblarlos, martillarlos, cortarlos y taladrarlos sin daño aparente. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad (McCormac, 2012, págs. 2,3). 8.3 Desventajas de las estructuras de acero. Fatiga: La fatiga es otra característica que busca reducir la resistencia en el acero cuando se ejercen fuerzas repetidas en el material. Cuando existen tensiones, entendemos que hay fatiga. Corrosión: La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al aire y al agua y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente. Sin embargo, el uso de aceros galvanizados para ciertas aplicaciones, tiende a eliminar este costo. Aunque los aceros galvanizados pueden ser bastante efectivos en ciertas situaciones para limitar la corrosión, hay muchos casos donde su uso no es factible. En algunas de estas situaciones, la corrosión puede ser un problema real (McCormac, 2012, pág. 3). Susceptibilidad al pandeo: Unas de las grandes debilidades de las estructuras metálicas es el pandeo local y el pandeo lateral, entre más largos y esbeltos son los miembros a compresión hay mayor debilidad en los elementos. Debido a este tema no resulta muy económico usar este material como columna, ya que debe usarse más material (Atizadores) para contrarrestar el posible pandeo. 8.4 Solidwoks 2015. “Las soluciones de SOLIDWORKS® cubren todos los aspectos del proceso de desarrollo de productos con un flujo de trabajo integrado a la perfección, que incluye las etapas de diseño, validación, diseño sostenible, comunicación y gestión de datos.” (Solidworks Company 2019) 9 Con SOLIDWORKS®, las empresas pueden acortar el ciclo de diseño, aumentar la productividad y comercializar productos innovadores más rápido. (Solidworks Company 2019). Solidworks® 3d Cad “Las soluciones de solidworks® 3d cad incluyen funciones potentes y fáciles de dominar que permiten reducir el tiempo de desarrollo del producto, ahorrar dinero y mejorar la calidad. Nuestras soluciones de desarrollo de productos y diseño en 3D intuitivas le permiten conceptualizar, crear, validar, comunicar, gestionar y transformar sus ideas innovadoras en grandes diseños de productos. “(Solidworks Company 2019). Visualización “Solidworks® visualize le permite aprovechar sus datos cad en 3d para crear contenido con calidad fotográfica de la forma más rápida y sencilla posible, desde imágenes a animaciones, contenido web interactivo y realidad virtual inversiva. “(Solidworks Company 2019). Simulación Las soluciones de simulación para SOLIDWORKS® proporcionan una cartera de herramientas de análisis fáciles de usar que permiten predecir el comportamiento físico de un producto en el mundo real mediante las pruebas virtuales de los modelos de CAD. Someta sus diseños a condiciones del mundo real para aumentar la calidad de sus productos a la vez que reduce los costes en prototipos físicos y pruebas. (Solidworks Company 2019). Imagen 3 SOLIDWORKS . fuente el autor 10 8.5 Cargas en una estructura metálica. Cargas permanentes o muertas: “Las cargas permanentes (o cargas muertas) están constituidas por los pesos de todos los elementos estructurales, tales como: muros, paredes, recubrimientos, instalaciones sanitarias, eléctricas, mecánicas, máquinas y todo artefacto integrado permanentemente a la estructura” (NEC, Cargas No Sísmicas, 2015, pág. 11). Carga viva (sobrecargas de uso): “Las sobrecargas que se utilicen en el cálculo dependen de la ocupación a la que está destinada la edificación y están conformadas por los pesos de personas, muebles, equipos y accesorios móviles o temporales, mercadería en transición, y otras” (NEC, Cargas No Sísmicas, 2015, pág. 11). Cargas por viento: Según la NEC la carga por viento se caracteriza de la siguiente forma: Velocidad instantánea máxima del viento. La velocidad de diseño para viento hasta 10 m de altura será la adecuada a la velocidad máxima para la zona de ubicación de la edificación, pero no será menor a 21m/s (75 km/h). Velocidad corregida del viento. La velocidad instantánea máxima del viento se multiplicará por un coeficiente de corrección (σ )que depende de la altura y delas características topográficas y/o de edificación del entorno (nivel de exposición al viento). Vb = V. σ Dónde: Vb = velocidad corregida del viento en m/s V = velocidad instantánea máxima del viento en m/s, registrada a 10 m de altura sobre el terreno σ = Coeficiente de corrección (NEC, Cargas No Sísmicas, 2015). 8.6 Componentes de un galpón. La solución más rápida y económica de los galpones consiste en estructura encillas de acero, que pueden normalizarse aplicando soluciones modulares. En la Figura 1.2, se identifican los componentes de los galpones, en la Figura 1.3, la de una solución genérica en acero. 11 Como se aprecia en la ilustración 1, la estructura de los galpones está formada por pórticos separados a distancias convenientes, los cuales pueden ser de vigas laminadas o soldadas o de vigas de celosía. El caso particular de los pórticos atirantados escapa al alcance del presente proyecto integrador (P.T.I), además de plantear el reto de su mantenimiento. (Martínez Romero y Sánchez Toledo, 1984). Ilustración 1 componentes estructurales de un galpón. fuente: google imagen Sobre los pórticos se apoyan las correas que soportan el material de cubierta del techo. Las correas que soportan el material de cerramiento de las fachadas se denominan largueros, y se apoyan directamente sobre las columnas. Por facilidades constructivas, para los largueros se emplean perfiles laminados de sección canal o U. Cuando la separación entre columnas es muy grande, se recomienda apoyar el material de cubierta de las fachadas sobre unos miembros verticales intermedios llamados parales, normalmente resueltos con perfiles doble T o I. (Martínez Romero y Sánchez Toledo, 1984). Para garantizar la rigidez y resistencia necesarias para las fuerzas producidas por las acciones del viento, el sismo, y las grúas viajeras, entre otras, se dispone de los arrostramientos, tanto del techo como de las fachadas, por lo general con perfiles L dispuestos en cruces de San Andrés, que son los encargados de canalizar y transmitir las solicitaciones a las fundaciones. Es oportuno mencionar, que algunas normas extranjeras 12 (capítulo NEC-SE-CG- o NEC-SE-DS.) contemplan el uso de las láminas de la cubierta como diafragmas que contribuyen a la resistencia y rigidez lateral de los galpones. (Martínez Romero y Sánchez Toledo, 1984). 8.7 Clasificación y tipología. Los galpones pueden clasificarse atendiendo a múltiples variables, así por ejemplo en el universo de los galpones para uso industrial, su clasificación se hace en función de la Ilustración 2 Clasificación de estructuras . fuente: Estructuras UPS capacidad de las grúas (que a su vez condiciona la altura del riel) en: semilivianas, livianas, semi medianas, medianas, semipesados y pesadas. Una clasificación más universal es la que se muestra en la ilustración 2 .(Martínez Romero y Sánchez Toledo, 1984). “Los galpones de un solo tramo se utilizan en los casos donde se necesitan grandes espacios interiores, libres de columnas, tales como gimnasios y auditorios, o en áreas pequeñas, tales como casetas, estacionamientos, oficinas, pequeños locales comerciales. En edificaciones de gran anchura, donde las columnas interiores no constituyen un 13 inconveniente, como pueden ser hospitales y oficinas, suele emplearse el galpón de vanos múltiples.”. (Martínez Romero y Sánchez Toledo, 1984). 8.8 Productos para el proyecto del galpón. “El uso a que se destina la estructura, los requisitos particulares del cliente y los equipos que operarán constantemente definen los materiales de que estará hecho el galpón. La obtención de los materiales corresponde a la actividad denominada.” (Martínez Romero y Sánchez Toledo, 1984). Los materiales comúnmente usados en los galpones son: Los perfiles y demás suministros de acero estructural que conformarán la estructura principal y secundaria, incluyendo las conexiones, arrostramientos del techo y las fachadas, correas, largueros y parales. Los materiales de cerramiento del techo y las fachadas. Cuando se incluyen mezzaninas, el techo debe estar protegido con concreto, los materiales del sistema de piso o techo serán: Losa de tablones: bloques de arcilla, acero para los efectos de retracción y temperatura, y concreto. Losa mixta acero-concreto: con los sofitos metálicos, conectores de corte, el acero de retracción y temperatura y el concreto. Canalones y bajantes del sistema de drenaje del techo. Equipos adicionales: equipos para la movilización de cargas, ventiladores y extractores de aire y humos, aire acondicionado, etc. 8.9 Perfiles. Los perfiles de acero se utilizan tanto para la fabricación de la estructura principal como para la estructura secundaria que se utiliza para apoyar y fijar las láminas de cubierta, en los techos como en las fachadas. También para fabricar las escaleras que se requieran en las mezzaninas. Las correas son vigas simplemente apoyadas. Cuando la separación entre los pórticos resulta en perfiles muy altos o pesados, pueden sustituirse por vigas de celosía (joist). Véase también los sitios de interés incluidos en la Bibliografía. La separación máxima entre las correas y, por ende, la ubicación de los nodos en las vigas de celosía sobre las cuales se apoyan, o las longitudes de arrostramiento lateral de los perfiles usados como vigas maestras está determinada por las características de las láminas de cerramiento del techo de la ilustración 3. 14 La luz de las correas es equivalente a la separación entre los pórticos de la estructura, como se observa en la ilustración 3. También se trata de aprovechar al máximo la longitud comercial de los perfiles, que es de 12 m, con lo cual resulta que las separaciones entre pórticos más usuales son 4, 6 y 9 metros. (Martínez Romero y Sánchez Toledo, 1984). Ilustración 3 Luz y separación entre correas. fuente: estructuras UPS “Los largueros son las correas que deben soportar los cerramientos de las fachadas. La separación entre largueros está condicionada por el tipo de cerramiento, y varía entre 1.20 m y 2.40 m. La luz de los largueros corresponde a la separación de los pórticos, y cuando ésta excede de los 6 m, resulta más económico apoyar los largueros en columnas auxiliares intermedias denominadas parales. Véase en la ilustración 4.” (Martínez Romero y Sánchez Toledo, 1984). Ilustración 4 Luz y separación de largueros . fuente: estructuras UPS 15 8.10 Métodos de anclaje. Los pernos de anclaje cumplen varios roles en la interacción columna - fundación. Además de trasmitir las cargas verticales y horizontales, sirven para llevar a su posición correcta a las columnas durante el montaje. También mantienen las columnas mientras se instalan los arrostramientos de la estructura. Normalmente se utilizan pernos ASTM A306, o barras calibradas de acero SAE 1020 o 1045 tratadas térmicamente. La Norma Ecuatoriana (NEC-SE-AC, sección 8.1) no permite el uso de barras de refuerzo para concreto como pernos de anclaje. Por otra parte, la práctica ha demostrado que el incumplimiento de las disposiciones de la Norma Ecuatoriana respecto a la soldadura de cabillas, produce fallas en los dispositivos de anclaje, aún antes de entrar en servicio. Usualmente para facilitar el montaje, los pernos de anclaje se preinstalan en una plantilla o caja, como la mostrada en la ilustración 5. (Martínez Romero y Sánchez Toledo, 1984). Ilustración 5 Anclaje de metal - hormigón . fuente: estructuras UPS. 16 8.11 Conexiones simples. Las conexiones simples de vigas o enrejados deben ser diseñadas como flexibles y se permite dimensionarlas solamente para reacciones de corte, excepto que se indique lo contrario en los documentos de diseño. Las conexiones flexibles de vigas simples deben ser capaces de soportar las rotaciones de esas vigas en sus extremos. Se permite que la conexión desarrolle algo de deformación inelástica, pero auto-limitante, para acomodar. Las rotaciones de una viga simple en sus extremos (ANSI/AISC-360, 2010, pág. 180). 8.12 Conexiones de momento. Las conexiones en los extremos empotrados de vigas y enrejados deben ser diseñadas para el efecto combinado de fuerzas de momento y de corte inducidos por la rigidez de las conexiones (ANSI/AISC-360, 2010, pág. 181) 8.13 Conexiones por soladura. La soldadura es la forma más común de conexión del acero estructural y consiste en unir dos piezas de acero mediante la fusión superficial de las caras a unir en presencia de calor y con o sin aporte de material agregado. Cuando se trabaja a bajas temperaturas y con aporte de un material distinto al de las partes que se están uniendo, como por ejemplo el estaño, se habla de soldadura blanca, que es utilizada en el caso de la hojalatería, pero no tiene aplicación en la confección de estructuras. Cuando el material de aporte es el mismo o similar al material de los elementos que se deben unir conservando la continuidad del material y sus propiedades mecánicas y químicas el calor debe alcanzar a fundir las caras expuestas a la unión. De esta forma se pueden lograr soldaduras de mayor resistencia capaces de absorber los esfuerzos que con frecuencia se presentan en los nudos. Las ventajas de las conexiones soldadas son lograr una mayor rigidez en las conexiones, eventuales menores costos por reducción de perforaciones, menor cantidad de acero para materializarlas logrando una mayor limpieza y acabado en las estructuras. Sin embargo, tienen algunas limitaciones importantes que se relacionan con la posibilidad real de ejecutarlas e inspeccionarlas correctamente en obra lo que debe ser evaluado en su momento (condiciones ergonométricas del trabajo del soldador, condiciones de clima, etc.) Hoy en día, una tendencia ampliamente recomendada es concentrar las uniones soldadas en trabajos en el taller y hacer conexiones apernadas en obra. 17 Las posiciones de soldadura típicas son: plana, vertical, horizontal y sobre cabeza; y expresan parcialmente las dificultades de la soldadura en terreno. (Indura en Veliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009). Ilustración 6 Tipos de uniones en soldadura. fuente: Indura en Veliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009 18 Los tipos de conexiones de perfiles y planchas por soldadura son las siguientes: Ilustración 7. Tipos de unión fuente: Indura en Veliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009 Por su parte, los tipos de soldaduras que se pueden practicar se detallan en el siguiente esquema: A su vez, hay diferentes formas de practicar los biseles en los perfiles o planchas a soldar: Ilustración 10. Tipos de soldadura. fuente: Indura en Veliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009 Entre los variados tipos de soldadura se pueden mencionar: Soldadura Oxiacetilénica, en que la temperatura se logra encendiendo una mezcla de gases de oxígeno y acetileno en el soplete capaz de fundir los bordes de las planchas a unir a la que se le agrega el material de aporte proveniente de una varilla con la que se rellena el borde a soldar. El principio de la soldadura con mezcla de oxígeno y acetileno 19 se emplea también en el corte de planchas. (Indura en Veliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009) Soldadura al Arco, los procesos más utilizados hoy son la soldadura por arco eléctrico en que se genera un arco voltaico entre la pieza a soldar y la varilla del electrodo que maneja el operador que produce temperaturas de hasta 3.000ºC. Los materiales que revisten el electrodo se funden con retardo, generando una protección gaseosa y neutra en torno al arco eléctrico, evitando la oxidación del material fundido a tan alta temperatura. Este proceso puede ser manual, con electrodo revestido o automática con arco sumergido. (Indura en Veliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009). Soldadura por Electrodo Manual Revestido (Stick Metal Arc Welding). Consiste en un alambre de acero, consumible, cubierto con un revestimiento que se funde bajo la acción del arco eléctrico generado entre su extremo libre y la pieza a ser soldada. El alambre soldado constituye el metal de relleno, que llena el vacío entre las partes, soldándolas. (Indura en Veliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009). Ilustración 8 soldadura SMAW fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo Soldadura por arco sumergido (Submerged Arc Welding). Para la soldadura de arco sumergido se emplea un equipo compuesto de un alambre de acero desnudo, asociado a un dispositivo inyector de fundente. Al generarse el arco eléctrico, el alambre se funde soldando las partes y el fundente es depositado sobre la soldadura, protegiéndola. 20 El proceso de arco sumergido, es un proceso industrial que al ser automático le confiere mayor calidad a la soldadura. (Indura en Veliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009). Ilustración 9 soldadura SAW fuente: Curso Ilafa, arquitecto Sandro Maino Ansaldo La soldadura por resistencia se logra generando el arco voltaico entre dos electrodos que están presionando las planchas a unir, el que encuentra una resistencia en las planchas generando una alta temperatura que las funde y las une. Se emplea principalmente en la unión de planchas superpuestas como soldadura de punto. También se aplica entre electrodos en forma de rodillos generando una soldadura de costura. En el cálculo de las estructuras, la resistencia de las uniones está dada por la longitud de la soldadura en el sentido longitudinal de los elementos traccionados o comprimidos. Cada unión deberá tener determinada cantidad de centímetros lineales de soldadura. Sin embargo, esta situación es, frecuentemente, imposible de lograr, especialmente si se está trabajando con perfiles de menor tamaño. Para suplir esta dificultad se agregan planchas en las uniones llamadas “gousset”, cuyo único objeto es permitir conexiones entre elementos a unir y lograr el largo de soldadura requerido para el nudo. La soldadura es una operación que requiere un trabajo delicado, realizado por un operario calificado. Una soldadura mal realizada puede quedar porosa y frágil y expone a la totalidad de la estructura a un desempeño diferente al que ha sido diseñado con el consecuente riesgo de colapso. En muchos países la calificación de los soldadores se hace ante instituciones certificadoras y debe revalidarse cada cierta cantidad de años. (Indura en Veliz S, Sebastián; Seminario FAU 2009). 21 9. Metodología y cálculos. 9.1 Metodología. Esta investigación es de tipo exploratoria y de campo. Exploratoria, ya que se hizo a base de consultas y lectura de tesis, libros, páginas web entre otros tipos de información que se consideró necesaria e importante para que se realice esta investigación, para ser utilizada como referencia y solución a problemas que puedan darse dentro del diseño de galpones metálicos. De campo, ya que para esta investigación se realizó visitas técnicas al sitio del proyecto y varios proyectos similares. Los pasos a seguir para llevar a cabo el proyecto fueron: El dimensionamiento del área de implantación con la finalidad de asignar la distancia adecuada entre cada columna, como parte del pre dimensionamiento. Una vez definido el área designada de construcción galpón industrial se establece que cada columna será colocada a cada 4 m de distancia a lo largo de la implantación y así poder definir el área dependiente de cada columna. Con base en la normativa y criterios de pre-dimensionamiento, se establece la forma geométrica del pórtico asignando una pendiente del 20% de L/2 para la cubierta metálica. Ya analizado estos razonamientos, se dimensiono el galpón industrial a base de las necesidades y las posibilidades de la empresa, como también garantizado la seguridad de los operarios que ocuparan dicha estructura. 22 Imagen 4 Estimación de pendiente y figura geométrica del galpón . fuente: El autor 9.2 Cálculos. Estimación de cargas. Dentro del diseño la estimación de cargas correspondientes es muy importante para luego poder tener un buen diseño de la estructura. Para carga muerta (D) por criterio propio debido a ciertas instalaciones analizadas en la estructura que se haga en la cubierta se asume un mínimo peso recomendada en la norma (capitulo NEC-SE-AC, sección 9.4) la carga (D) de 10 kg/m2, y para carga viva (L) según la NEC-15 establece una carga viva (L) para cubiertas metálicas de 70 kg/m2. Definida la carga muerta (D) y la carga viva (L), se procede a sacar la carga mayor (U) y el peso resistente (W). U = 1.2*D + 1.6*L. W = AT x U/ L. Con la guía de la norma ecuatoriana de la construcción logramos calcular las siguientes cargas: Muerta (D) = 10 kg/m² (Valor estimado). 23 Viva (L) = 70 kg/m² (Según la NEC-15). U = 1.2*D + 1.6*L. U = 1.2*10 kg + 1.6*70 = 124 kg/m². W = 149.52 m2 * 124 kg/m² / 24.92 m². W = 744 kg/m. W = 0.744 Ton/m. Momentos y esfuerzos en SOLIDWOKS 2015. De acuerdo con el peso resistente (W) que es aplicado sobre el pórtico, mediante el programa SOLIDWORKS 2015 se procede a encontrar los momentos y esfuerzos del galpón establecido. Mediante la aplicación de las formulas necesarias se realiza la selección de los perfiles adecuados para nuestra bóveda metálica. 1) σ = 𝑃 /𝐴. 2) A = P /σ. 3) M = P * d. 4) d = M /P. Dónde: σ = Esfuerzo M = Momento P = Fuerza P = Fuerza A = Área d = Distancia. 10. Recursos 10.1. Recursos institucionales Para llevar a cabo el presente proyecto se cuenta con tutores institucionales, Ing. Pablo Ñauta mismo que evalúa y dan seguimiento a las actividades a desarrollarse en torno a las actividades planteadas. 10.2. Recursos materiales La empresa Tecnoproducción brindara las facilidades necesarias para llevar a cabo el diseño y simulación, brindando los equipos de medición adecuados para los procesos necesarios para finalizar el proyecto. 24 10.3. Recursos técnicos o tecnológicos Mediante el desarrollo del proyecto se emplearon recursos tecnológicos, tales como computador, cámara de celular, impresora, acceso a internet, software de diseño SOLIDWORKS 2015. Estos recursos fueron empleados con el fin de facilitar la ejecución y el progreso del proyecto. 11. Resultados y discusión. A continuación, la descripción de simulación estática con cargas muertas y vivas obtenidas en el cálculo, para realizar esta ejecución se debe seguir el siguiente orden: Seleccionar el material. Se elige el acero con el cual va ser edificado la estructura metálica, en este caso es el acero ASTM A36. Ilustración 10 Selección de material en el software SOLIDWORKS. fuente: El Autor Distinguir la sujeción de la estructura. En esta operación se escoge cómo sujeción a las columnas que resistirán las cargas muertas y vivas ya analizadas. Es importante escoger bien los puntos de sujeción fija ya que esto permitirá una simulación eficiente en el software. 25 Ilustración 11 Selección de sujeción fija. fuente. El Autor Selección de vigas y aplicación de fuerza. En esta ocasión elegimos las vigas las cuales van a transmitir la fuerza a las columnas . la estructura, y a su vez aplicamos las cargas calculadas según la norma (N.E.C). de Ilustración 12 Selección de vigas y aplicación de fuerza. fuente: El Autor 26 Preparación de malla para analizar la estructura. Aplicamos la malla de estructurado que facilita el software para generar total mente la simulación y poder acceder a los resultados que nos permite saber si el material planificado y el diseño es el óptimo. Ilustración 13 Selección de vigas y aplicación de fuerza. fuente: El Autor. Ilustración 14 Selección de vigas y aplicación de fuerza. fuente: El Autor. Ilustración 15 Aplicación de malla de estructurado .Fuente: El autor. Una vez terminado estos pasos podemos acceder a las deducciones generados por el software, en las siguientes denominaciones logramos tener los resultados de factor de seguridad, desplazamientos y tenciones. Con los siguientes resultados verificamos que el material asignado es el correcto ya que el factor de seguridad de 2.1 es la planteada por la norma (NEC) y los resultados de desplazamiento tenemos 1.67 mm que es algo despreciable en una estructura como también en los resultados de tenciones (flexiones) tenemos 1.16 mm que también es una cantidad despreciable para la estructura diseñada. 27 A continuación, los gráficos de los resultados extraídos del software SOLIDWOKS 2015. Ilustración 16. Comparación entre todos los resultados. fuente. El autor 12. Conclusiones y recomendaciones. 12. 1. Conclusiones El galpón tiene las siguientes dimensiones 9x6x19m es de tramo simple a dos aguas cumple con la norma ecuatoriana de la construcción (NEC)designado a las estructuras menores a 10 m. El material idóneo para la construcción del galpón industrial es el perfil denominado carrea G de 200x50x15x2mm. Para estructuras metálicas, o de poco peso, las cargas de viento son mucho más significativas que las de sismo por lo tanto son las que se consideran en el diseño. 12. 2. Recomendaciones Es necesario recalcar que es imprescindible tener conocimiento de las normas de construcción que rigen en el Ecuador. 28 Al momento de diseñar lo ideal es no dejar luces excesiva mente grandes ya que en la simulación no soporta las cargas calculadas, si no se toma en cuenta este detalle tendremos que corregir el diseño la estructura. Se debe utilizar pintura anticorrosiva a base de cromado de zinc sobre todo en los puntos donde la cobertura hace contacto con la estructura metálica (tubos superiores de viguetas y arcos) para evitar que las planchas de aluminio se deterioren. 29 12. Referencias bibliográficas Bibliografía AISC; 2005. Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications. Norma ANSI/AISC 358-05, AISC, Illinois, 81 págs. AISC; 2005. Seismic Provisions for Structural Steel Buildings. Norma ANSI/AISC 341-05, AISC, Illinois, 120 págs. AISC; 2002. Detailing for Steel Construction. Second edition, 2da. Edición, AISC, Illinois, 330 págs. AISC, 2002. Modern Steel Construction. June, UCAB Steel Teaching Sculpture, pag. 21 AISC, 1996. Working with Structural Steel in Schedule Driven Projects. Illinois, 14 págs. indura. (2017). soldaduras industriales . guayaquil. DIPAC. (s.f.). Catálogo de Acero. José Giner, S. M. (2001). SISMICIDAD Y RIESGO SÍSMICO EN LA C.A.V. Editorial Club Universitario. McCormac, J. C. (2012). Diseño de Estructuras de Acero. Quinta Edición. En J. C. McCormac, Diseño de Estructuras de Acero. (pág. 736). México: Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C. V. NEC. (2015). Cargas No Sísmicas. NEC. (2015). Peligro Sísmico. 30 13. Glosario. ANSI: Viene de las siglas en inglés de American National Standards Institute, que significa Instituto Nacional Estadounidense de Estándares y llamado comúnmente ANSI, el cual es una organización encargada de supervisar el desarrollo de normas para los servicios, productos, procesos y sistemas en los Estados Unidos. NEC: Norma Ecuatoriana de la Construcción. Perfil: Normalmente los perfiles de acero. Fusión: La soldadura por fusión (“welding”) es el procedimiento de unir dos metales donde el material base se calienta a una alta temperatura superando su punto de fusión, entonces aprovechando su estado líquido se mezclan para formar una unión. Luces: En arquitectura, ingeniería y construcción suele utilizarse la palabra luz para designar la distancia, en proyección horizontal. 31 14. Contactos Estudiante: Ángel Mauricio Inga Morocho Celular: 0996574200- 0978784674 Correo electrónico: [email protected] 32 15. Anexos. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Nombre proyecto: Mantenimiento correctivo de rectificadora plana de herramientas Nombre Estudiante: Mauricio Inga. Director de proyecto Empresa: Ing. Sebastián Parra. Empresa: Tecnoproduccion. Ciclo: Quinto “A” Institución: ISTA Formación: Dual Carrera: Tcnlg. Mecánica Industrial Tipo de proyecto: Diseño Descripción Fecha de inicio: 02/01/2018 Fecha Fecha de entrega: 18/07/2019 Supervisa 01 Recopilación de datos bibliográficos de estructuras metálicas . 08– 10 junio. Ing. Pablo Ñauta. 02 Investigación de soldadura en estructuras metálicas. 12 – 15 junio. Ing. Pablo Ñauta. 03 Recopilación de datos técnicos de la segmentación de cemento de las bases 18– 22 junio. 04 Análisis de información de las normas que rigen al país en construcción 22 – 23 junio. Ing. Pablo Ñauta. Presentación de material teórico. 24 - 25 junio. Ing. Pablo Ñauta. Fas e II: Seg uim ient o Fase I: Preparación Fase. Director de proyecto Institución: Ing. Pablo Ñauta. 05 Ing. Pablo Ñauta. Observaciones Fase III: Ejecución 26 - 29 junio. 06 Presentación de diseños y soluciones a los problemas identificados. 07 Ensamblar los elementos que conforman el galpón industrial 07 – 15 julio. 10 Presentación del proyecto. 18 julio. Ing. Pablo Ñauta. Ing. Pablo Ñauta. Ing. Pablo Ñauta. Observaciones: ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………… …………………………………………… Director/a de proyecto Empresa Director/a de proyecto ISTA Ing. Sebastián Parra. Ing. Pablo Ñauta. …………........................................... Estudiante Ángel Mauricio Inga Morocho 34 Imagen 5 Perfiles en G conformados en frio . fuente DIPAC 2016. Imagen 8 Perfiles canales conformados en frio. fuente: DIPAC 2016. 36
