UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABI FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS FISICAS Y QUIMICAS CARRERA DE INGENIERIA MECANICA TESIS DE GRADO PREVIO A LA OBTENCION DEL TITULO DE: INGENIERO MECANICO TEMA: “DISEÑO Y CONSTRUCCION DE ESTRUCTURA Y CUBIERTA DEL LABORATORIO DE CENTRALES TERMICAS DE LA FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS FISICAS Y QUIMICAS.” AUTORES: GUARANDA PINCAY JUAN PABLO LOOR ORMAZA YOFFRE GREGORIO SANCHEZ CORTEZ MIGUEL ANGEL SANCHEZ DIAZ WILLIAN NAZAEL DIRECTOR DE TESIS: ING. FRANCIS B. GOROZABEL CHATA PORTOVIEJO-MANABI-ECUADOR 2011
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UNIVERSIDAD TECNICA DE MANABI
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS FISICAS Y QUIMICAS
CARRERA DE INGENIERIA MECANICA TESIS DE GRADO
PREVIO A LA OBTENCION DEL TITULO DE:
INGENIERO MECANICO
TEMA: “DISEÑO Y CONSTRUCCION DE ESTRUCTURA Y CUBIERTA DEL
LABORATORIO DE CENTRALES TERMICAS DE LA FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS FISICAS Y QUIMICAS.”
DEDICATORIA Esta labor cumplida, lo dedico a mis padres David Guaranda y Nieve Pincay, por el constante apoyo brindado durante todas las jornadas de estudio en las cuales fueron mi inspiración para seguir adelante. A mis hermanos, Henry y Jefferson, quienes me dieron el ejemplo de constancia y perseverancia.
JUAN PABLO GUARANDA PINCAY
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DEDICATORIA Principalmente a Dios y a mis padres por la paciencia que me han tenido se los dedico a ellos por el respeto y el esfuerzo que se merecen.
LOOR ORMAZA YOFFRE GREGORIO
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DEDICATORIA Dedico primeramente al Dios todo poderoso por haberme dado salud, vida, amor y sobre todo mucha sabiduría para la realización de este proyecto; a mis padres por el apoyo moral y económico; a mi esposa e hija por sus motivaciones para seguir adelante y seguir cruzando barreras; a aquellos docentes que supieron con sus conocimientos llegar a cada uno de nosotros y dar lo mejor de ellos para adquirir nuevas ideas. A todos quienes de manera directa e indirecta colocaron su granito de arena en el transcurso de los años y en el proyecto, ¡A todas mil gracias!
SANCHEZ CORTEZ MIGUEL ANGEL
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DEDICATORIA Este gran triunfo se lo dedico a mi querida madre YOLANDA DIAZ por estar siempre a mi lado y por demostrarme que siempre creyó en mí dándome todo el apoyo necesario para cumplir con esta meta. A la dueña de mi corazón y compañera incondicional PAMELA OLIVES que me brindo su apoyo desde el inicio de esta carrera y que me sirvió como fuente de inspiración para seguir adelante.
SANCHEZ DIAZ WIILIAN NAZAEL
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AGRADECIMIENTO Por esta tesis………. A Dios por demostrarnos tantas veces su existencia y con ello brindarnos las fuerzas para salir adelante en cada tropiezo. A mis padres por sus sabios conocimientos y apoyo desinteresado; es obvio que sin ustedes este sueño nunca hubiera podido ser completado. Sencillamente ustedes son la base de nuestra vida profesional y siempre les estaremos agradecidos.
JUAN PABLO GUARANDA PINCAY
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AGRADECIMIENTO Gracias a todos los que me han brindado el apoyo moral y económico en un camino muy complicado que con la ayuda de mi Dios le agradezco por estar presente en los momentos más difíciles.
LOOR ORMAZA YOFFRE GREGORIO
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AGRADECIMIENTO Agradecemos primeramente a Dios quien ha hecho posible la realización y la presentación de este proyecto, a mis padres que con tantos esfuerzos nos dan su apoyo tanto en lo económico como en moral, a nuestros docentes por darnos su conocimiento y a cada uno de nuestros compañeros por el intercambio de opiniones, de ideas y de informaciones.
SANCHEZ CORTEZ MIGUEL ANGEL
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AGRADECIMIENTO Primeramente a mis padres y en especial a mi madre que en este trayecto de vida supo brindarme su apoyo incondicional para dar este gran paso. A mi familia y seres queridos por estar conmigo en todos los malos y buenos momentos e incentivarme para seguir adelante. A mis compañeros y docentes universitarios por compartir sus conocimientos teórico-práctico y creer que todos somos capaces de alcanzar lo que en algún momento de nuestras vidas nos propongamos. A todas aquellas personas que de forma directa e indirectamente hicieron posible la realización de este proyecto y así cumplir con nuestro objetivo propuesto.
SANCHEZ DIAZ WILLIAN ZAZAEL
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CERTIFICACION DEL DIRECTOR DE TESIS El ING. FRANCIS B. GOROZABEL CHATA catedrático de la Facultad de Ciencias, Matemáticas, Físicas y Químicas - carrera de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica de Manabí. La tesis de grado titulada: “DISEÑO Y CONSTRUCCION DE ESTRUCTURA Y CUBIERTA DEL LABORATORIO DE CENTRALES TERMICAS DE LA FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS FISICAS Y QUIMICAS.” Es un trabajo de desarrollo comunitario original de sus autores Guaranda Pincay Juan Pablo, Loor Ormaza Yoffre Gregorio, Sánchez Cortez Miguel Ángel, Sánchez Díaz William Nazael, el cual ha sido desarrollado de acuerdo a los requerimientos establecidos bajo mi dirección; con vigilancia periódica en su ejecución.
ING. FRANCIS B. GOROZABEL CHATA DIRECTOR DE TESIS
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CERTIFICACION DEL TRIBUNAL DE REVISION Y EVALUACION
CARRERA DE INGENIERIA MECANICA TESIS DE GRADO TEMA: “DISEÑO Y CONSTRUCCION DE ESTRUCTURA Y CUBIERTA DEL LABORATORIO DE CENTRALES TERMICAS DE LA FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS FISICAS Y QUIMICAS.” Sometida a consideración del tribunal de revisión, evaluación y legalizada por el Honorable Consejo Directivo como requisito previo a la obtención del título de: Ingeniero Mecánico. APROBADA: Ing. Ángel Arteaga Linzan Ing. Joel Guillen García Miembro del Tribunal Miembro del Tribunal
Ing. Lenin Pita Cantos Presidente del tribunal
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DECLARACION SOBRE LOS DERECHOS DE AUTOR Declaramos que: La responsabilidad de las investigaciones, conocimientos técnicos y científicos de parte de nuestro director de tesis, miembros del tribunal de corrección y evaluación de tesis y personas conocedoras del tema. Además afirmamos que los resultados y conclusiones y recomendaciones plasmadas en el presente trabajo pertenecen exclusivamente a los autores: Guaranda Pincay Juan Pablo Loor Ormaza Yoffre Gregorio Sánchez Cortez Miguel Ángel Sánchez Díaz William Nazael
INDICE Contenido Pág. Dedicatoria II Agradecimiento IV Certificación del Director de Tesis X Certificación del Tribunal de Revisión y Evaluación XI Declaración sobre los Derechos de Autor XII Índice Resumen 1 Sumary 21. Localización Física del Proyecto 3 1.1 Macro localización 3 1.2 Micro localización 4 2. Fundamentación 5 2.1 Diagnóstico de la comunidad 5 2.2 Identificación del problema 6 2.3 Priorización del problema 6 3. Justificación 7 4. Objetivos 8 5. Marco de referencias 9 6. Beneficiarios 23 7. Metodología 24 7.1.1 Calculo Estructural de la Cercha planteada (Método Manual) 24 7.1.2 Análisis estructural de la Cercha 24 7.1.3 Análisis de las Correas y Determinación de las Cargas Equivalentes 45 7.1.4 Calculo de la Cercha por el Método de los Nudos 48 7.2 Calculo Estructural de la Cercha planteada (Método Computarizado) 60 8. Recursos a utilizar 70 8.1 Humanos 70 8.2 Materiales 70 8.2.1 Calculo del peso de la Cercha en Kg. 70 8.3 Financieros 71 8.3.1 Costo total de la Cercha 71 9. Análisis e interpretación de resultados 72 10. Conclusiones y Recomendaciones 73 11. Sustentabilidad y Sostenibilidad 74 12. Referencial 75 12.1 Cronograma 75 12.2 Presupuesto 76 12.3 Anexos 77 12.3.1 Plano de la Cercha 77 12.3.2 Fotos 78 12.4 Bibliografía 95
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RESUMEN
El “Diseño y Construcción de Estructura y Cubierta del Laboratorio de Centrales
Térmicas de la Facultad de Ciencias Matemáticas Físicas y Químicas” se realiza
para seguir contribuyendo al desarrollo que necesita la Carrera de Ingeniería
Mecánica ya que con este aporte se pretende mejorar las técnicas de enseñanza-
aprendizaje impartidas por docentes a estudiantes, además incentivar a futuras
generaciones de estudiantes y autoridades a que contribuyan con el crecimiento
físico e intelectual de la carrera y así convertirla en uno de los grandes iconos de
la universidad.
Debido a las características básicas del acero, su uso se extiende a estructuras
compuestas por elementos lineales, sustituyendo a las antiguas estructuras de
madera.
Constituidos por perfiles laminados simples, combinaciones de perfiles o
palastros. En caso de cargas pequeñas, también se emplean perfiles tubulares. El
rendimiento del material base junto a un aligeramiento del conjunto, a partir de la
triangulación lograda mediante barras traccionadas y comprimidas. Están
compuestas por combinación de perfiles laminados para todas las piezas o sólo
para las comprimidas, mientras que las sometidas a tracción son barras y cables.
El Perfil de cubierta de acero se consigue por perfilado en frío de chapa en bobina,
en la fábrica o en la obra, con el ancho y el tamaño deseado. Su geometría está
especialmente hecha para permitir un cierre mecánico entre las tejas, funcionando
cada uno de ellos como una "canalización" perfectamente cerrada. Las piezas
cónicas se someten a una operación anterior de corte longitudinal oblicuo. Este
tipo de cubiertas sigue siendo el tipo de material más versátil y económico,
utilizado en la generalidad de las construcciones. Gracias a su resistencia, permite
que los perfiles funcionen como elementos estructurales. El acero necesita
revestimientos anticorrosivos que impidan la corrosión del material cuando entra
en contacto con la atmósfera.
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SUMARY
"Design and Construction of Housing Structure and Thermal Power Laboratory,
Faculty of Mathematics Physics and Chemistry" is made to continue contributing
to the development needs of Mechanical Engineering Career and that this
contribution is to improve teaching techniques learning students taught by
teachers also encourage future generations of students and authorities to
contribute to the physical and intellectual growth and career and make it one of
the great icons of the university.
Because the basic characteristics of steel, its use extends to structures composed
of linear elements, replacing the old wooden structures.
Composed of simple rolled, sheet metal profiles or combinations. In case of small
loads are also used hollow. The performance of the base material with a lightening
of the whole, from the triangulation achieved by traction and compressed bars.
They consist of a combination of rolled for all parts or only for compressed, while
they are subjected to tension rods and cables.
The steel deck profile is achieved by cold forming sheet metal coil at the factory
or on site, with the width and size. Its geometry is specially made to allow a
mechanical seal between the tiles, each functioning as a "pipeline" perfectly
closed. The conical parts are subjected to a previous operation of oblique
longitudinal section. This type of roof is still the most versatile type of material
and economic, used in most of the buildings. Thanks to its strength, allows
profiles to function as structural elements. Need steel anticorrosive coatings that
prevent corrosion of the material when in contact with the atmosphere
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1. LOCALIZACION FISICA DEL PROYECTO 1.1 MACROLOCALIZACION: El proyecto se lleva a cabo en las instalaciones de la Facultad de Ciencias, Matemáticas, Físicas y Químicas de la Universidad Técnica de Manabí ubicada en la Avenida José María Urbina más conocida como “Avenida Universitaria” vía a Crucita, de la Parroquia 12 de Marzo, en el cantón Portoviejo, Provincia de Manabí. Sus coordenadas Geográficas son: Latitud: 1º 2’ 12” Longitud: 80º 27’ 15”
Figura 1. Diagrama de la Universidad Técnica de Manabí
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1.2 MICROLOCALIZACION: El laboratorio de Centrales Térmicas está ubicado en la planta baja, parte oeste de la Facultad de Ciencias, Matemáticas, Físicas y Químicas.
Figura 2. Diagrama de ubicación del Laboratorio de Centrales Térmicas
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2. FUNDAMENTACION Preocupados por el desarrollo de la Carrera de Ingeniería Mecánica y por el déficit de aulas de aprendizaje y de enseñanza, se ha creído conveniente diseñar la estructura y cubierta del laboratorio, es por ello que proponemos como alternativa de solución el diseño de una estructura metálica para la cubierta, y cambiar la cubierta ya que la actual presenta daños en su composición, dejando una mala imagen a la Carrera, Facultad y Universidad. Con este cambio el laboratorio tendrá un realce en seguridad y estética así los docentes de la Carrera de Ingeniería Mecánica podrán utilizarla brindando seguridad a ellos mismos y a los estudiantes y sobre todo a las maquinas de ensayos que son utilizadas por estudiantes para un mejor aprendizaje. 2.1 DIAGNOSTICO DE LA COMUNIDAD La Universidad Técnica de Manabí fue fundada el 25 de junio de 1954, inicio su funcionamiento con 12 estudiantes y 4 profesores de las facultades de ingeniería Agrícola, Agronómica y Medicina Veterinaria. La Facultad de Ciencias Matemáticas, Físicas y Químicas fue creada el 13 de Octubre de 1958. Siete meses después, el 4 de Mayo del 59, las Carreras de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Eléctrica entraron a formar parte de la Facultad. El 16 de Mayo de 1970 formaron parte de la Facultad las Carreras de Ingeniería Civil e Ingeniería Industrial. La Carrera de ingeniería mecánica, cuenta con un laboratorio de Centrales Térmicas, se realizo una minuciosa inspección de la estructura y cubierta actual de dicho lugar, para después emitir un criterio técnico y específico a la hora de realizar el proyecto, una vez observado el lugar se pudo constatar varias anomalías. Se converso con algunos de los estudiantes, ayudantes de cátedra, docentes y personal administrativo en general para evaluar la necesidad de diseñar y construir la Estructura y Cubierta del Laboratorio de Centrales térmicas de la Carrera de Ingeniería Mecánica, y en su gran mayoría asistieron favorablemente ya que esto nos prepara para afrontar los retos de ser profesionales del siglo XXI
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2.2 IDENTIFICACION DEL PROBLEMA En este ámbito de socialización con la comunidad universitaria, nos limitamos, mediante masivas ideas, a enfocar de una manera más amplia los problemas de la comunidad, promoviendo a compartir nuestra perspectiva de cómo resolverlos, se llego a identificar los siguientes problemas sin ningún orden de precedencia:
o La estructura de madera cumplió su vida útil en la cual en el transcurso de los años se fue deteriorando por causa de la polilla.
o La cubierta de zinc presenta oxidación y perforación por eso que
en épocas invernales el agua se filtra hacia el interior del laboratorio.
2.3 PRIORIZACION DEL PROBLEMA El criterio para la selección del problema a resolver considera la participación directa e indirecta de autoridades, docentes, estudiantes y las necesidades urgentes que se tienen previstas para impulsar la utilización del laboratorio de centrales térmicas. En este sentido la comunidad en general coincide en que hay que ejecutar el “El diseño y construcción de la estructura y cubierta del laboratorio de centrales térmicas” en la cual la estructura de madera no garantiza seguridad al interior del laboratorio, tanto por sus años de función como en las normas de construcción. La cubierta de zinc actual no posee ligereza y resistencia mecánica a la corrosión, no se presenta como la mejor opción en la mayoría de los casos.
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3. JUSTIFICACION Las autoridades de la Facultad de Ciencias Matemáticas Físicas y Químicas con el propósito de ofrecerles a sus estudiantes la mayor comodidad en sus estudios a la hora de recibir clases de los docentes y desarrollar prácticas de destrezas en los cálculos referente a una central térmica cuando se tiene que dar recomendaciones y soluciones a un problema planteado, se han visto en la necesidad de adecuar los laboratorios, llegando al Diseño y Construcción de la Estructura y Cubierta lo que permitirá a los estudiantes aumentar conocimientos teóricos, obteniendo una mejor preparación académica. En la cual el laboratorio de Centrales Térmicas ha sufrido deterioro en la cubierta y estructura ya que esta ha cumplido su vida útil de trabajo, a través del tiempo esta se ha focalizado especialmente en su estructura física incidiendo esta en un notable porcentaje de que no se encuentre en estados de funcionabilidad. La cubierta del laboratorio se encuentra en estado deplorable, es así que cuando se presenta la época invernal sufre filtraciones, impidiendo que se realicen los trabajos teoricos-practicos en el laboratorio. La estructura de madera se encuentra en estado de descomposición por la presencia de polilla la cual pone en riesgo la vida de los estudiantes que realizan trabajos teoricos-practicos en el lugar antes mencionado. Con la realización de nuestros proyectos se evitaran los problemas antes mencionados, beneficiándose así los estudiantes de las diversas carreras de la Facultad de Ciencias, Matemáticas, Físicas y Químicas, especialmente la Carrera de Ingeniería Mecánica, constituyendo a su desarrollo y engrandecimiento. Estos elementos constructivos cumplirán la función de evitar la entrada de agua al espacio interior del laboratorio y brindar seguridad internamente tanto a docentes como a estudiantes la cual desempeñara un papel importante en la protección térmica.
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4. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL: Diseñar y Construir la estructura y cubierta en el Laboratorio de Centrales Térmicas de la Facultad de Ciencias, Matemáticas, Físicas y Químicas. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Diseñar y Construir el tipo de estructura y cubierta para el laboratorio de
Centrales Térmicas.
Seleccionar el tipo de material para la estructura y cubierta del laboratorio
de Centrales Térmicas. Instalar estructura y cubierta del laboratorio de Centrales térmicas.
Ofrecer una mayor seguridad a docentes, estudiantes, maquinas y Equipos
en el interior del laboratorio de Centrales Térmicas. Mejorar la imagen interna y externa del laboratorio de Centrales Térmicas
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5. MARCO DE REFERENCIA CUBIERTA. Las Cubiertas son estructuras de cierre superior, que sirven como cerramientos exteriores, cuya función fundamental es ofrecer protección al edificio contra los agentes climáticos y otros factores, para resguardo, darle intimidad, aislación acústica y térmica, al igual que todos los otros cerramientos verticales. La cubierta está realizada a través de una solución específica que comprende en su conjunto el elemento resistente. Tales son los casos de los forjados, y por ello conviene que encabecen la enumeración de los medios correspondientes a las cubiertas (materiales empleados, elementos y sistemas). La excelente resistencia a la corrosión de estos materiales les otorga una longevidad sin parangón con otros metales y materiales de cubiertas. Cobre y zinc titanio son materiales económicos en las cubiertas, ya que permiten que las mismas no precisen de ningún gasto de mantenimiento. Esto les convierte en los materiales idóneos tanto para las regiones montañosas como para las costeras. El cobre y el zinc titanio se adaptan a cada forma y relieve. Materiales reciclables que redundan en el ahorro de recursos naturales y energía. CARACTERÍSTICAS DE CUBIERTA Las principales características que deben tener las cubiertas son:
La impermeabilidad o sea que no deje pasar el agua, y El aislamiento para que no pase el calor, frio o la nieve.
Cuando se construye en zonas en donde llueve mucho se recomienda utilizar pendientes o inclinaciones grandes, para que el agua lluvia caiga más rápido de la cubierta. PENDIENTES DE LAS CUBIERTAS Es la inclinación con la que se hacen los techos o vertientes para desalojar con facilidad las aguas y su magnitud depende del material que se utilice como cubierta. Las pendientes que más se utilizan en nuestro medio son las siguientes:
Entre 20% y 27% para cubiertas de cinc y tejas de fibro cemento. Entre 30% y 60% para los diferentes tipos de teja de barro. Entre 50% y 80% para techos en paja o palma.
Cuando se dice que un techo tiene pendiente de 20% significa que por cada metro lineal de techo subimos 20 centímetros, así, si son 2.oo metros nos elevamos 40 centímetros y si son 3.oo metros nos levantamos 60 centímetros y así sucesivamente.
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Las pendientes son expresadas en los planos en forma de porcentaje, y con una flecha se indica hacia donde corren las aguas.
UTILIDAD Las cubiertas son necesarias para proteger los edificios de los fenómenos meteorológicos, sin que se moje el propio edificio ni el contenido. También para evitar que entre o salga el frío o calor y para proteger de intrusiones. MATERIALES Características de la cubierta: Es el perfil que brinda un excelente rendimiento junto a un aspecto estético atractivo, lo cual lo hace especialmente apto para uso en cubiertas de vivienda, además de cerramientos laterales y cubiertas de edificios industriales. Dipanel DP5 es el techo más moderno para uso comercial industrial con maquinaria de última generación lo que lo convierte en un producto que cumple con los estándares de calidad más exigentes del mercado. Características generales: El DP5 es un panel de geometría trapezoidal con rigidizadores en los valles de excelente desempeño estructural y gran apariencia estética. Características técnicas: El DP5 se fabrica en aluzinc (galvalume), aleación compuesta por Aluminio (55%), Zinc (43.5%) y Silicio (1.5%), mediante un proceso continuo de inmersión en caliente. La aleación de Alumini-Zinc que forma el recubrimiento combina las propiedades de ambos metales: el Aluminio proporciona la resistencia a la corrosión tanto atmosférica como por altas temperaturas, y una muy buena reflectividad térmica; el Zinc aporta la formabilidad y la protección galvánica (catódica) que protege las áreas perforadas o cortadas de la lámina.
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Según norma ASTM 792-86 Az-150 (150gr/m2) en calidad estructural Gr.37 o en pre pintado según norma ASTM–653.
Medidas: - Ancho 1.100 mm - Cubre 1.000 mm - En pies desde 6 hasta 30
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ESTRUCTURAS ESTRUCTURA DE LA CUBIERTA
Las correas: perfiles que se fijan con tornillos calibrados y que forman el entramado sobre el que va fijada la cubierta. Para cubiertas de gran tamaño se utilizan sistemas de unión de correas.
Vigas Portantes: en celosías o llenas, se encargan de transmitir al apoyo las cargas de la cubierta. Se fija con tornillos de alta resistencia.
Pilares estructurales: soportan y transmiten al cimiento las acciones de la cubierta. La distribución coincide con los extremos de las vigas portantes.
Pilares de cierre: soportan y transmiten al cimiento las acciones originadas por el viento. Para su dimensión se considera la existencia de otras sobrecargas y se fabrican con perfiles UPN empresillados.
Anclajes: sobre ellos se materializa la unión entre los pilares y la cimentación. Cada conjunto está formado por una zona roscada para facilitar los niveles y aplome de los pilares.
CONSIDERACIONES GENERALES ALCANCE En este capítulo se incluyen disposiciones para diseño y construcción de estructuras de acero para edificios urbanos y fabriles. Para puentes, tanques, torres para antenas, cerchas, estructuras industriales no convencionales, y otras estructuras especiales, o de características poco comunes, pueden necesitarse reglas o recomendaciones adicionales. UNIDADES En las ecuaciones y expresiones que aparecen en este capítulo deben utilizarse las unidades siguientes, que corresponden al sistema internacional (SI): Fuerza N (newton) Longitud mm (milímetros) Momento N-mm Esfuerzo MPa (mega pascales) Siempre que es posible, las ecuaciones están escritas en forma a dimensional; cuando no lo es, junto a las expresiones en sistema internacional se escriben, entre paréntesis, las expresiones equivalentes en sistema métrico decimal usual; en ese caso, las unidades son Fuerza kg (kilogramos)Longitud cm (centímetros)Momento kg-cm Esfuerzo kg/cm² MATERIALES PERFILES Los perfiles son elementos livianos que permiten un ahorro aproximado del 40% en el peso de la estructura y sus secciones optimizan la relación resistencia-peso,
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dando un excelente acabado para elementos a la vista. Son compatibles con diferentes sistemas constructivos. PERFIL U Producto obtenido por laminación en caliente, con sección transversal en forma de "U". Se suministran en amarrados de 1 t o 2 t, con una largura de 6 m o 12 m. Estos productos son utilizados en la construcción mecánica en general, en estructuras metálicas, señalización vial, máquinas e implementos agrícolas, además de otras aplicaciones. Las propiedades mecánicas de estos productos siguen las normas INEN 1 623:2000, ASTM A36 y ASTM A572 y sus características dimensionales responden a la norma ASTM A6.
PERFIL G Producto obtenido por laminación en caliente, con sección transversal en forma de "G".
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ANGULOS Producto de acero laminado en caliente hasta 1250 grados cuya sección transversal está formada por dos alas en ángulo recto. Fabricación de estructuras metálicas, Carrocerías, Rejas, Torres de Transmisión, Puertas, Techados, y Almacenes.
PROPIEDADES Y CUALIDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL Se define como acero estructural al producto de la aleación de hierro, carbono y pequeñas cantidades de otros elementos tales como silicio, fósforo, azufre y oxígeno, que le aportan características específicas. El acero laminado en caliente, fabricado con fines estructurales, se denomina como acero estructural al carbono, con límite de fluencia de 250 mega pascales (2549 kg/cm 2). Su alta resistencia, homogeneidad en la calidad y fiabilidad de la misma, soldabilidad, ductilidad, incombustible, pero a altas temperaturas sus propiedades mecánicas fundamentales se ven gravemente afectadas, buena resistencia a la corrosión en condiciones normales. El acero es más o menos un material elástico, responde teóricamente igual a la compresión y a la tensión, sin embargo con bastante fuerza aplicada, puede comenzar a comportarse como un material plástico, pero a diferencia de los materiales plásticos a máximas solicitaciones
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romper, pero su comportamiento plástico en tales situaciones como un terremoto, la fase plástica es útil, ya que da un plazo para escapar de la estructura. ENTRE SUS PROPIEDADES UBICAMOS: Oxidación: este se oxida por la acción de oxigeno del aire. Ductilidad: es la capacidad de convertirse en hilos, por esfuerzo de tracción. Tenacidad: es la resistencia a la rotura por tracción. Elasticidad: es cuando el acero al dejar de aplicársele alguna fuerza, se recupera a su forma original. Flexibilidad: es la capacidad de doblarse y recuperarse al aplicarle un momento flector. Plasticidad: es la propiedad que tiene los aceros de fluir, al dejar de aplicársele cargas no se recupera. Resistencia: capacidad de formular energía al deformarse. Fundabilidad: aquí llega a estado líquido. Resistencia: viene siendo el esfuerzo máximo que resiste un material antes de romperse. METALES DE APORTACION CARACTERISTICAS: 6011 (AWS E) El electrodo 6011 posee un revestimiento de tipo celulósico diseñado para ser usado con corriente alterna, pero también se le puede usar con corriente continua, electrodo positivo. La rápida solidificación del metal depositado facilita la soldadura en posición vertical y sobre cabeza. El arco puede ser dirigido fácilmente en cualquier posición, permitiendo altas velocidades de deposición (soldadura). Usos Este electrodo es apto para ser utilizado en todas las aplicaciones de soldadura en acero dulce, especialmente en trabajos donde se requiera penetración. Aplicaciones Cordón de raíz en cañerías. Cañerías de oleoductos. Reparaciones generales. Estructuras. Planchas galvanizadas 7018 (AWS E) El electrodo 7018-RH es de bajo contenido de hidrógeno y resistente a la humedad. Está especialmente diseñado para soldaduras que requieren severos
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controles radiográficos en toda posición. Su arco es suave y la pérdida por salpicadura es baja. NOMENCLATURA DE LOS ELECTRODOS PARA ACERO DULCE Se especifican cuatro o cinco dígitos con la letra E al comienzo, detallados a continuación:
a. Prefijo E de electrodo para acero dulce b. Resistencia a la tracción mínima del depósito en miles de libras por pulgadas cuadradas (Lbs./pul2) c. Posición de soldar: 1- Toda posición 2- Plana horizontal d Tipo de revestimiento, Corriente eléctrica y Polaridad a usar según tabla
EJEMPLO: Electrodo E.6011 (AWS-ASTM) E- Electrodo para acero dulce 60- 60.000 Lbs./pul2 de resistencia a la tracción 1 Para soldar en toda posición 2 Revestimiento Celulósico Potásico para corriente alterna y corriente continua polaridad invertida La soldadura con metales de aportación es una técnica que siempre ha estado muy difundida por sus aplicaciones prácticas. Existen aleaciones soldables mediante las cuales es posible obtener soldaduras perfectas usando un sencillo soplete de gas: las temperaturas necesarias para la soldadura varían en general desde 160 hasta 700 °C, según la aleación empleada. Las aleaciones para las soldaduras duras son a base de cobre (cobre, cobre-fósforo, cobre-cinc), níquel, aluminio, plata u otros metales preciosos. LAS CARGAS ESTRUCTURALES Los modernos códigos de construcción le dan al ingeniero recomendaciones de cargas mínimas que deben usarse en el diseño de estructuras comunes Las cargas que deben considerarse en el diseño de estructuras son:
Cargas Muertas (D) Cargas vivas (L)
Cargas producidas por presión lateral de tierras o presión hidrostática (H) Cargas producidas por presiones de fluidos (F) Efectos producidos por cambios de temperatura (T) CARGAS MUERTAS (D) Son aquellas cargas que actúan durante toda la vida de la estructura. Incluyen todos aquellos elementos de la estructura como vigas, pisos, techos, columnas, cubiertas y los elementos arquitectónicos como ventanas, acabados, divisiones permanentes. También se denominan cargas permanentes. Su símbolo “D”, corresponde a la inicial en inglés de Dead (muerto).1 La principal carga muerta es el peso propio de la estructura. Sus valores se obtienen considerando el peso específico del material de la estructura y el volumen de la estructura. Aunque es el tipo de carga más fácil de evaluar, su monto depende de las dimensiones de los miembros de la estructura las cuales no se conocen al inicio del proceso. Es necesario recurrir entonces a estimaciones del valor inicial. Esta acción será más o menos aproximada, dependiendo de la experiencia del diseñador. En los casos comunes esta estimación inicial será suficiente; pero en casos no rutinarios, será necesario evaluar de nuevo el peso de la estructura y revisar el diseño. Para elementos longitudinales (vigas), la carga se evalúa por unidad de longitud. Ha sido costumbre evaluarla en sistema MKS: “kg/m , t/m”. Sin embargo a partir
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de la vigencia de la norma NSR-98 se debería hacer en el Sistema Internacional (SI): N/m, kN/m. El control de las cargas muertas es muy importante en estructuras de concreto reforzado construidas «in situ», pues el volumen de los concretos colocados puede ser muy variable, conduciendo a sobre espesores que producen masas adicionales a las contempladas en el diseño, afectando la evaluación de las cargas de sismo. En el acero estructural se controlan más fácilmente, pues los perfiles vienen de fábrica con tolerancias de peso pequeñas.
Figura 2.1 fuerzas distribuidas CARGAS VIVAS (L) Son aquellas debidas al uso u ocupación de la construcción y que la identifican. Incluyen personas, objetos móviles o divisiones que puedan cambiar de sitio. Generalmente actúan durante períodos cortos de la vida de la estructura. También incluyen el impacto. Su símbolo corresponde a la inicial de Live (vivo). También se denominan cargas de “ocupación”. Debido a la dificultad de evaluarlas, se especifican por los Códigos de Construcción, en kN/m2 en el SI o en kgf/m2 en el MKS. Usualmente se considera que ocupan toda el área del piso como cargas uniformes, aunque en algunos casos puedan estar concentradas en un área específica. CERCHAS: CONCEPTOS BÁSICOS El principio fundamental de las cerchas es unir elementos rectos para formar triángulos. Esto permite soportar cargas transversales, entre dos apoyos, usando
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menor cantidad de material que el usado en una viga, pero con el inconveniente de que los elementos ocupan una altura vertical considerable.
Figura 5.3 Bases del funcionamiento de las cerchas Como se ve en la figura 5.3 anexa, la unión entre dos puntos puede hacerse con un arco lineal formado por dos elementos inclinados a compresión (figura a), restringidos por dos apoyos que le dan el empuje para que no se abran; el empuje horizontal puede reemplazarse por un tensor que una los dos elementos inclinados, con lo que se libera a los apoyos del empuje hacia fuera, figura (b). También puede soportarse la carga con dos tensores y un elemento horizontal a compresión, figura (c). Este caso es más escaso pues debe tenerse espacio libre debajo para desarrollar los tirantes. Esta disposición triangular permite soportar una carga fácilmente, con una deflexión muy pequeña si se la compara con la de una viga de igual luz. La viga permite sin embargo usar una altura transversal pequeña. Si las cargas se aplican exclusivamente en los nudos (figura b), como es lo usual, no se produce la flexión que se presenta (figura a) en los arcos cuando se aplican cargas concentradas. En cerchas de cubiertas en las cuales las cargas son livianas es común aceptar que las cargas no se apliquen en los nudos, pero deberá evaluarse la combinación de efectos de flexión y compresión. TIPOS DE CERCHAS Existen numerosas clasificaciones de las cerchas según su inventor o propagador: Pratt, Howe, Warren; y según su forma: dientesierra, tijera, tipo K. Existen diferentes tipos de cerchas de acuerdo con la solución estructural que se requiere. Su construcción o ensamble se lleva a cabo uniendo elementos rectos, que primordialmente trabajan a esfuerzos axiales, en unos puntos que llamamos nudos y conformando una geometría tal que el sistema se comporta establemente cuando recibe cargas aplicadas directamente en estos nudos. De acuerdo con su uso tenemos cerchas para techos, para puentes o simplemente para vigas pertenecientes a un sistema de piso. En las cerchas utilizadas para techos se busca que su geometría conforme o supla la forma del techo. Por lo general el cordón superior conforma las pendientes del techo y el inferior es un tensor horizontal. En techos con luces grandes esto obligaría a tener una cercha muy alta en el centro, en ese caso se puede también hacer la cuerda inferior inclinada.
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En el caso de vigas simples cargadas por la parte superior, donde el sistema trabajará como un todo a flexión, se pueden construir los diagramas de momento y cortante comparándolos con los de una viga de alma llena. Encontramos que los momentos internos que producen esfuerzos de compresión y tracción en la viga, se descomponen en un par de fuerzas en la cercha produciendo esfuerzos de compresión en el cordón superior y esfuerzos de tracción en el cordón inferior; las diagonales resisten esfuerzos cortantes como también parte de los momentos y sirven de unión entre el elemento superior y el inferior. ANÁLISIS DE CERCHAS El análisis de las cerchas tiene como objetivo encontrar las fuerzas en cada uno de los elementos y las deformaciones de todo el conjunto. En cerchas estáticamente determinadas se utilizan métodos analíticos y métodos gráficos. Entre los métodos analíticos tenemos: el método de los nudos y el método de las secciones. Identificación de miembros con fuerza cero.
MÉTODOS DE LOS NUDOS Se separan los nudos de toda la cercha y se realiza el diagrama de cuerpo libre de cada uno, se aplican dos ecuaciones de equilibrio de traslación por nudo. Se debe empezar la solución por aquel nudo que tenga solo dos incógnitas.
22
Método de las secciones: cortar la estructura de tal manera que queden tres fuerzas de barras como incógnitas y aplicar equilibrio a cada sección. Para el análisis se pueden combinar el método de los nudos y las secciones haciendo que la rapidez con que se llegue a la solución dependa de la pericia y experiencia del diseñador. (Todo conocimiento nuevo requiere de momentos de asimilación o etapas hasta llegar al dominio llamado el momento de la sistematización, para llegar a esta etapa debemos analizar muchas y diferentes cerchas de tal manera que en nuestra mente se ha creado ya un concepto general del comportamiento y así sabremos por donde cortar y que nudo analizar para que la solución se encuentre de forma fácil). Convención: Debido a que las barras solo trabajan a esfuerzos axiales se seguirá la siguiente convención: Barras traccionadas tienen fuerzas positivas (+) y barras comprimidas tienen fuerzas negativas (-). Sugerencias para los diagramas de cuerpo libre:
Siempre dibujar fuerzas saliendo del nudo. Siempre dibujar fuerzas en los elementos estirando el elemento.
EJEMPLO:
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6. BENEFICIARIOS
6.1 DIRECTOS Carrera de Ingeniería Mecánica
Docentes y estudiantes de la Carrera de Ingeniería Mecánica
Egresados de la Carrera de Ingeniería Mecánica
6.2 INDIRECTOS
Universidad técnica de Manabí.
Facultad de Ciencias Matemáticas, Físicas y Químicas.
Colectividad Manabita
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7. METODOLOGÍA 7.1 CALCULO ESTRUCTURAL DE LA CERCHA
PLANTEADA (METODO MANUAL). 7.1.2 ANALISIS ESTRUCTURAL DE LA CERCHA.
En este trabajo se realiza un análisis estructural de una cercha plana que formara parte de la estructura de cubierta para el laboratorio de Ingeniería mecánica de la Universidad Técnica de Manabí. El modelo completo se muestra en la siguiente figura.
Para simplificar el análisis se modela una cercha plana con un apoyo fijo y otro móvil para obtener una estructura plana isostática. Distribución en planta. Los requerimientos del proyecto son los siguientes:
Área del total de la estructura 12.30 m de frente por 15.00 m de fondo Pendiente de la cubierta 23% Calculo de cercha más desfavorable. Longitud de las correas: 4 m G80X40X2 (Separación entre cerchas). Tipo de cubierta: Dipanel e=0.35mm
25
Geometría de la cercha, numero de nudos y elementos.
Numeración de nudos. Numero de las barras exteriores. Numero de las barras diagonales. Numero de las barras verticales.
26
Combinaciones de carga. (Combinaciones sismo resistentes). 1.- U = 1.2L + 1.6D. 2.- U = 1.2L + 0.5L. 3.- U = 1.2D. 4.- U=0.90D. Se escoge la primera por ser más crítica. Análisis de sección de correas y carga puntual sobre cercha. Se determina la carga uniforme que reciben las correas y usando el método de rigideces sucesivas se obtendrá los momentos y cortantes que actúan en las mismas para realizar el análisis por esfuerzos cortantes y flexionantes, para luego obtener la carga puntual que descargan a las cerchas en los puntos de apoyo. Cargas consideradas y combinación de carga:
Peso de correas; el peso de la correa G80x40x2 es 2.78 kg/m. Peso de cubierta dipanel e=0.35mm ; 3.87 kg/m2 Carga viva; para mantenimiento 30kg/m2. Combinación de carga 1.2D+1.6L.
El análisis de la correa y el cálculo de la carga puntual en los apoyos de las correas, se lo realiza usando una hoja de cálculo donde se indica el procedimiento. Calculo de cargas sobre la cercha. La cercha es uno de los principales tipos de estructuras empleadas en ingeniería. Proporciona una solución práctica y económica a muchas situaciones. Una armadura consta de barras rectas unidas mediante juntas o nodos. Los elementos de una cercha se unen sólo en los extremos por medio de pasadores sin fricción para formar armazón rígida. Cada cercha se diseña para que soporte las cargas que actúan en su plano. Todas las cargas deben aplicarse en las uniones y no en los mismos elementos. Por ello cada cercha es un elemento sometido a fuerzas axiales directas (tracción o compresión). De acuerdo a la definición de cercha las cargas sobre estas deben aplicarse en las uniones, en este caso los elementos que transmiten cargas son las correas cuyos puntos de apoyos no están directamente sobre los nudos como se muestra en el gráfico. Resultaría antieconómico y anti técnico colocar correas en cada nudo porque están separadas en 0.44m en promedio y se necesitarían muchas correas.
A B
C
E D
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Para el cálculo de los esfuerzos se determina una carga repartida equivalente que se obtiene de la suma de las cargas puntuales A, B, C, D, E, F, G, H, I, dividiéndolo para la luz de la cercha como se indica: Carga puntuales sobre la cercha Correa A = 0.1651 tn Correa E = 0.165 tn Correa B = 0.330 tn Correa F = 0.330 tn Correa C = 0.330 tn Correa G = 0.330 tn Correa D = 0.330 tn Correa H = 0.330 tn Correa E = 0.1651 tn Correa I = 0.165 tn
suma = 1.321 tn suma = 1.321 tn
Media luz de la cercha = 5.2 m
WT
equivalente= 1.321 = 0.254 tn/m
5.2 Modelo matemático de cercha.
W equivalente=0.254 ton/m
CP=Carga puntual equivalente en un nudo. CPX= Carga puntual equivalente en un nudo en X. CPY= Carga puntual equivalente en un nudo en Y α = Angulo de inclinación de la barra.
28
Carga puntual equivalente en cada nudo.
CP =WT ∗ S
2 +WT ∗ S
2
S1= Separación entre el nudo del lado izquierdo al nudo analizado.
S2= Separación entre el nudo del lado derecho al nudo analizado.
CPX = CP ∗ Sen(α) ;
CPY = CP ∗ Cos(α)
RESOLUCIÓN DE LA CERCHA.
Método de los nodos. Como toda la cercha está en equilibrio, cada nudo debe estar en equilibrio. El hecho de que un nudo esté en equilibrio puede expresarse haciendo un diagrama de cuerpo libre y escribiendo dos ecuaciones de equilibrio.
La distribución de nodos y barras en una armadura simple es tal que siempre es posible encontrar un nodo en que sólo haya dos fuerzas desconocidas. Estas fuerzas pueden calcularse siguiendo los métodos de equilibrio, y sus valores pueden trasladarse a los nodos adyacentes y tratarse como cantidades conocidas en dichos nodos. Este procedimiento puede repetirse hasta que se hallen todas las fuerzas desconocidas.
Estabilidad del modelo; análisis de hiperstaticidad.
Para que el modelo sea estable se debe cumplir con: b + r = 2n
b=Numero de barras=113
r= reacciones.=3 N= nudos=30
b+r= 113+3= 116 2n= 2*58 = 116.
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Calculo de las reacciones. Ecuaciones de equilibrio: ∑FX = 0 (+) ; ∑FY = 0 (-)
-CP1*D1-CP3*D3+CP5*D5….CP57*D57+R2*D53=0 De la solución de las ecuaciones 1 y 2 resulta: R1=1450.92 kg
R2=1450.92 kg.
Resumen de cargas sobre nudos.
Ecuaciones de equilibrio de nudos. Diagrama de cuerpo libre. NOTA: Ver el resumen al final, para identificar los ángulos de cada barra y los esfuerzos correspondientes, los cálculos se realizan en una hoja electrónica.
F =−F ∗ Cos(S) + F ∗ Sen(C) ∗ Cos(S)− Sen(S) ∗ F ∗ Cos(C)
Cos(S) ∗ Sen(I) − Cos(I) ∗ Sen(S)
F =F ∗ Cos(C)− F ∗ Cos(I)
Cos(S)
35
NUDO 11
CPY
F1113 ∑FX = 0,∑FY = 0 CPX F911 F1011 F1112
F = −CPY + F ∗ Sen(A) + F ∗ Sen(I) + F ∗ Sen(A)
F =−CPX − F ∗ Cos(A) − F ∗ Cos(I)
Cos(A)
NUDO 12
F1112
F1213
F1214 ∑FX = 0,∑FY0 F1012
F =F ∗ Cos(S)− F ∗ Cos(T)
Cos(J)
F =−F ∗ Cos(J) + F ∗ Sen(S) ∗ Cos(J) − Cos(S) ∗ Sen(J)
Sen(T) ∗ Cos(J) − Cos(T) ∗ Sen(J)
36
NUDO 13
CPY
F1315 ∑FX = 0,∑FY0 CPX F1113
F1213 F1314
F = CPY − F ∗ Sen(A) − F ∗ Sen(J) − F ∗ Sen(A)
F =−CPX − F ∗ Cos(A)− F ∗ Cos(J)
Cos(A)
NUDO 14
F1314
F1415
F1416 ∑FX = 0,∑FY = 0 F1214
F =F ∗ Sen(T)− F − F ∗ Sen(D)
Sen(K)
F =F Sen(T) ∗ Cos(K) − Cos(T) ∗ Sen(K) − F ∗ Cos(K)
Sen(D) ∗ Cos(K) − Cos(D) ∗ Sen(K)
37
NUDO 15
CPY
F1517 ∑FX = 0,∑FY0 CPX F1315
F1415 F1516
F = −(CPY − F ∗ Sen(A) − F ∗ Sen(K) − F ∗ Sen(A))
F =−CPX − F ∗ Cos(A)− F ∗ Cos(K)
Cos(A)
NUDO 16
F1516
F1617
F1618 ∑FX =0,∑FY0 F1416
F =F ∗ Cos(D) − F Cos(D)
Cos(L)
F =F Cos(D) ∗ Sen(L)− Sen(D) ∗ Cos(L) + F ∗ Cos(L)
Cos(D) ∗ Sen(L) − Sen(D) ∗ Cos(L)
38
NUDO 17
CPY
F1719 ∑FX = 0,∑FY0 CPX F1517
F1617 F1718
F = −[CPY − F ∗ Sen(A) − F ∗ Sen(L)− F ∗ Sen(A)]
F =−CPX − F ∗ Cos(A) − F ∗ Cos(L)
Cos(A)
NUDO 18
F1718
F1819
F1820 ∑FX = 0,∑FY0 F1618
F =F ∗ Cos(D) − F ∗ Cos(D)
Cos(M)
F =F Cos(M) ∗ Sen(D) − Sen(N) ∗ Cos(D) − F ∗ Cos(M)
Cos(M) ∗ Sen(D) − Sen(M) ∗ Cos(D)
39
NUDO 19
CPY
F1921 ∑FX = 0,∑FY0 CPX F1719
F1819 F1920
F = −(CPY − F ∗ Sen(A) − F ∗ Sen(M) − F ∗ Sen(A))
F =−CPX − F ∗ Cos(A)− F ∗ Cos(M)
Cos(A)
NUDO 20
F1920
F2021
F2022 ∑FX = 0,∑FY0 F1820
F =F ∗ Cos(D) − F ∗ Cos(D)
Cos(N)
F =F Cos(N) ∗ Sen(D) − Sen(N) ∗ Cos(D) − F ∗ Cos(N)
Cos(N) ∗ Sen(D)− Sen(N) ∗ Cos(D)
40
NUDO 21
CPY
F2123 ∑FX = 0,∑FY0 CPX F1921
F2021 F2122
F = −(CPY − F ∗ Sen(A) − F ∗ Sen(M) − F ∗ Sen(A))
F =−CPX − F ∗ Cos(A) − F ∗ Cos(N)
Cos(A)
NUDO 22
F2122
F2223
F2224 ∑FX = 0,∑FY = 0 F2022
F =F ∗ Cos(D)− F ∗ Cos(D)
Cos(O)
F =F Cos(0) ∗ Sen(D) − Sen(O) ∗ Cos(D) − F ∗ Cos(O)
Cos(O) ∗ Sen(D)− Sen(O) ∗ Cos(D)
41
NUDO 23
CPY
F2325 ∑FX = 0,∑FY0 CPX F2123
F2223 F2324
F =−CPX − F ∗ Cos(A) − F ∗ Cos(O)
Cos(A)
F =−CPX − F ∗ Cos(A) − F ∗ Cos(N)
Cos(A)
NUDO 24
F2122
F2425
F2426 ∑FX = 0,∑FY0 F2224
F =F ∗ Cos(D) − F ∗ Cos(U)
Cos(P)
F =F Cos(P) ∗ Sen(D)− Sen(P) ∗ Cos(D) − F ∗ Cos(P)
Cos(P) ∗ Sen(U) − Sen(P) ∗ Cos(U)
42
NUDO 25
CPY
F2527 ∑FX = 0,∑FY0 CPX F2325 F2425 F2526
F = −[CPY− F ∗ Sen(A) + F ∗ Sen(P) − F ∗ Sen(A)]
F =−CPX − F ∗ Cos(A) + F ∗ Cos(P)
Cos(A)
NUDO 26
F2526
F2627
∑FX = 0,∑FY0 F2628 F2426
F =F + F ∗ Sen(U)
Sen(Q)
F = F ∗ Cos(Q)− F ∗ Cos(U)
43
NUDO 27
CPY
F2729 ∑FX = 0,∑FY0 CPX F2527
F2627 F2728
F = −(CPY − F ∗ Sen(A) + F ∗ Sen(Q)− F ∗ Sen(A))
F =−CPX − F ∗ Cos(A) + F ∗ Cos(Q)
Cos(A)
NUDO 28
F2728
F2829
∑FX = 0,∑FY0 F2628 F2830
F =F
Sen(R)
F = F − F ∗ Sen(R)
44
NUDO 30
F2930 ∑FX = 0,∑FY = 0
F2830 F3032
F = 0
F = F
La cercha es simétrica por lo que los resultados de las demás barras se corresponden.
Diseño de la cerchas de acero.
Diseño de miembros en tracción.- El diseño consiste en seleccionar un elemento con área transversal suficiente para que la carga factorizada Pu no exceda la resistencia de diseño ΦFyA .
A ≥P∅Fy
Pu=Carga axial por tracción. ∅=0.90. Fy=2500 Kg/cm2. Diseño de miembros comprimidos.- Los miembros comprimidos están controlados por los siguientes modos de falla:
- Aplastamiento. - Pandeo Local. - Pandeo general de flexión. - Pandeo torsional.
En elementos cortos con esbelteces 휆 = < 20, la falla más probable es por aplastamiento por lo que el esfuerzo sobre la barra no debe superar:
∅Fy ≥P퐴
KL= Longitud efectiva. K=1;(Depende de las condiciones de apoyo, para este caso se considera articulaciones.) r= Radio de giro (tabla Dipac).
45
7.1.3 ANALISIS DE LAS CORREAS Y DETERMINACION DE LAS CARGAS EQUIVALENTES Cargas permanentes: Peso de correas = 2,780 Kg/ml ( Correa G 80X40X2) Peso cubierta = 3,87 Kg/m2 (Dipanel e=0,35) Carga viva de mantenimiento: Carga viva (L) = 30 Kg/m2
Combinación de carga a considerar: U=1.2D + 1.6L
Carga puntual que descargan las correas sobre la cercha.
CERCHA Mayor efecto= 0,176 + 0,1546 = 0,330 tn (Cortante) Mayor efecto= 0,1185 tnm (Momento) Nota: Se revisa si cumple la correa G 80X40X2 las solicitaciones de momento y cortante no torsion, suponiendo que
las cargas actuan en el eje de el perfil y este se encuentra vertical Esfuerzo producido por el momento mayor: fb= M*c/I = M/W c= distancia del eje neutro a la fibra extrema fy= 2500 Kg/cm2 I=Inercia de la sección W=Modulo de sección (Tablas Dipac) fb= 2/3*fy = 1667 Kg/cm2 Q= Momento estatico de la sección considerada A= Area total de la sección W = M/fb
t=Espesor de elemento W = 11847 / 1667 = 7,108 > 8,81 cm3 OK
Esfuerzo producido por el cortante mayor: fva= VQ/It Esfuerzo actuante fv= 0,4*fy = 1000 Kg/cm2 Esfuerzo permisible fv= 252 < 1000 Kg/cm2 OK El modulo estatico del perfil es mayor al requerido por lo que verfica para las cargas impuestas
A B
C
E
D
48
Carga puntuales sobre la cercha Correa A = 0,1651 tn Correa E = 0,165 tn Correa B = 0,330 tn Correa F = 0,330 tn Correa C = 0,330 tn Correa G = 0,330 tn Correa D = 0,330 tn Correa H = 0,330 tn Correa E = 0,1651 tn Correa I = 0,165 tn
suma = 1,321 tn suma = 1,321 tn Media luz de la cercha = 5,2 m WT equivalente= 1,321 = 0,254 tn/m CARGA DE DISEÑO 5,2
7.1.4 CALCULO DE LA CERCHA POR EL METODO DE LOS NUDOS
PARA APLICAR EL METODO DEBEMOS OBTENER LAS CARGAS ACTUANTES EN CADA NUDO
ANGULOS DE INCLINACION DE LAS BARRAS ANG. DE BARRAS SEXAG… RADIANES SEN COS TAN DISTANCIA A CARGAS DESDE APOYO 1
A 12,94 0,23 0,22 0,97 0,23 D1 =0,50 D29 =5,20 B 45,00 0,79 0,71 0,71 1,00 D3 =0,34 D31 =5,63 C 36,87 0,64 0,60 0,80 0,75 D5 =0,00 D33 =6,07 D 12,94 0,23 0,22 0,97 0,23 D7 =0,43 D35 =6,50 E 65,85 1,15 0,91 0,41 2,23 D9 =0,87 D37 =6,93 F 60,25 1,05 0,87 0,50 1,75 D11 =1,30 D39 =7,37 G 67,27 1,17 0,92 0,39 2,39 D13 =1,73 D41 =7,80 H 69,09 1,21 0,93 0,36 2,62 D15 =2,17 D43 =8,23 I 64,50 1,13 0,90 0,43 2,10 D17 =2,60 D45 =8,67 J 58,36 1,02 0,85 0,52 1,62 D19 =3,03 D47 =9,10 K 54,74 0,96 0,82 0,58 1,41 D21 =3,47 D49 =9,53 L 54,74 0,96 0,82 0,58 1,41 D23 =3,90 D51 =9,97 M 54,74 0,96 0,82 0,58 1,41 D25 =4,33 L=D53 =10,40 N 54,74 0,96 0,82 0,58 1,41 D27 =4,77 D55 =10,74 O 54,74 0,96 0,82 0,58 1,41 D57 =10,90 P 54,74 0,96 0,82 0,58 1,41 Q 56,73 0,99 0,84 0,55 1,52 R 60,31 1,05 0,87 0,50 1,75 S 35,14 0,61 0,58 0,82 0,70 T 23,68 0,41 0,40 0,92 0,44 U 6,85 0,12 0,12 0,99 0,12
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D= DISTANCIA A CARGAS DESDE EL AP0YO 1 CP= CARGA PUNTUAL EN CADA NUDO
CPX= COMPONENTE EN X DE LA CARGA PUNTUAL EN EL NUDO CPY= COMPONENTE EN Y DE LA CARGA PUNTUAL EN EL NUDO WT= CARGA UNIFORME REPARTIDA SOBRE LA CUBIERA
Carga repartida (WT)= 0,2540 tn/m Sep. entre nudos 1-2 (S)= 0,14 m CPX1= 0,00398164 tn 3,981639 kg Carga puntual en los nudos= WT*S/2= 0,017776709 tn 17,77670892 kg CPY1= 0,01732507 tn 17,32507 kg
CARGAS PARA EL NUDO3
Carga repartida (WT)= 0,2540 tn/m Sep. entre nudos 1-2 (S1)= 0,14 m Sep. entre nudos 3-5(S2)= 0,394 m CPX3= 0,01518711 tn 15,18711 kg Carga puntual en los nudos= WT*S1/2+WT*S2/2= 0,067805447 tn 67,80544689 kg CPY3= 0,06608275 tn 66,08275 kg
CARGAS PARA EL NUDO5 Carga repartida (WT)= 0,2540 tn/m Sep. entre nudos 3-5 (S1)= 0,394 m Sep. entre nudos 5-7(S2)= 0,442 m CPX5= 0,02377607 tn 23,77607 kg Carga puntual en los nudos= WT*S1/2+WT*S2/2= 0,106152348 tn 106,1523476 kg CPY5= 0,1034554 tn 103,4554 kg
51
CARGAS PARA EL NUDO 7
Carga repartida (WT)= 0,2540 tn/m Sep. entre nudos 5-7 (S1)= 0,4422 m Sep. entre nudos 7-9(S2)= 0,4442 m CPX7= 0,02520946 tn 25,20946 kg Carga puntual en los nudos= WT*S1/2+WT*S2/2= 0,112551963 tn 112,5519628 kg CPY7= 0,10969242 tn 109,6924 kg
CARGAS PARA EL NUDO 9 AL 27
Carga repartida (WT)= 0,2540 tn/m Sep. entre nudos 5-7 (S1)= 0,4442 m Sep. entre nudos 7-9(S2)= 0,4442 m CPX9-27= 0,02526634 tn 25,26634 kg Carga puntual en los nudos= WT*S1/2+WT*S2/2= 0,112805916 tn 112,8059158 kg CPY9-27= 0,10993992 tn 109,9399 kg
CARGAS PARA EL NUDO 29
Carga repartida (WT)= 0,2540 tn/m Sep. entre nudos 5-7 (S1)= 0,4442 m Sep. entre nudos 7-9(S2)= 0,4442 m Carga puntual en los nudos= WT*S1/2+WT*S2/2= 0,112805916 tn 112,8059158 kg CPY5= 0,10993992 tn 109,9399 kg
El valor total de la estructura y cubierta del Laboratorio de Centrales Térmicas es de cuatro mil novecientos treinta y tres dólares con diecisiete centavos el mismo que se detalla en el presupuesto y que fue financiado en su totalidad por los autores de este proyecto.
72
9. ANALISIS E INTERPRETACION DE RESULTADOS Con la ejecución del proyecto diseño y construcción de estructura y cubierta del laboratorio de centrales térmicas se mejoró las condiciones necesarias para la transmisión de conocimientos que complementen lo aprendido por los estudiantes través de las capacitaciones, seminarios, etc. Que se llevan a cabo gracias a que se dispone de una mejor estructura que brinda las condiciones y seguridad necesaria para quienes imparten sus conocimientos y para quienes la escuchan. Además de mejorar la seguridad en lo que respecta a estructura y cubierta del laboratorio se está realizando trabajos para adecuar parte complementaria y brindar el confort adecuado para alcanzar la comodidad de los presentes y optimizar la atención en lo que respecta a la recepción y transmisión de conocimientos. La ejecución de este proyecto está dirigido a prolongar y a complementar la generación de conocimientos, el desarrollo de habilidades y el cambio de actitud, con el propósito de incentivar e incrementar la capacidad individual de los estudiantes, docentes y colectividad en general para así convertirnos en uno de los grandes iconos de la universidad y demostrar que podemos ser competitivos y estar a la par de la educación globalizada.
73
10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES.
El desarrollo del proyecto se lo realizo teniendo presente el diseño y construcción de la estructura y cubierta del laboratorio de centrales térmicas, y su respectiva instalación ; cumpliendo con las necesidades educativas modernas para así mejorar el proceso enseñanza-aprendizaje, no solo de la carrera de ingeniería mecánica ,si no de la universidad en general . En el proceso de instalación de la estructura y cubierta del laboratorio se hicieron algunas modificaciones que no se tomaron en cuenta en el proyecto original como fue la elevación de un metro de toda la estructura y cubierta y que vale recalcar fue de mucha importancia para mejorar la estética y comodidad de quienes día a día laboran en dicho laboratorio. El diseño de estructura y cubierta del laboratorio se lo realizo de tal manera en que no afecte el área interna de trabajo y además conservar la estética del laboratorio. RECOMENDACIONES En primer lugar a las autoridades de la universidad para adecuar el entorno externo del laboratorio A los docentes para asegurar el buen uso del laboratorio. A los estudiantes y demás personas para precautelar el aseo del laboratorio. Al operario encargado para que sea promotor del uso adecuado y normas de seguridad en el interior del laboratorio, y exija dar un buen mantenimiento tanto a las maquinarias como a la estructura y cubierta y así asegurar una excelente vida útil de lo que representa el laboratorio de centrales térmicas de la universidad técnica de Manabí.
74
11. SUSTENTABILIDAD Y SOSTENIBILIDAD
SUSTENTABILIDAD La ejecución de este proyecto contribuye al desarrollo de la carrera de ingeniería mecánica ya que dicho laboratorio no constaba con una cubierta segura por la cual no era utilizable por docentes por temor a que en cualquier momento podría desplomarse, en la actualidad el laboratorio de centrales térmicas consta con su estructura y cubierta modernas mejorando en su imagen interna y externa beneficiando no solo a la comunidad universitaria sino de la provincia ya que todos los colegios de Manabí podrán conocer cómo funciona una central térmica, además se pondrán en prácticas los conocimientos y destrezas adquiridos a lo largo de la carrera tales como soldadura, resistencia de materiales, diseños, cálculos, ensayos no destructivos entre otros. SOSTENIBILIDAD Estamos conscientes que la Facultad de Ciencias Matemáticas, Físicas y Químicas de la Universidad Técnica de Manabí, seguirá creciendo y mejorando su nivel académico con el trabajo diario y eficiente de sus autoridades y porque no decirlo, con la dedicación y esfuerzo de nuevos egresados que se convertirán en actores principales del desarrollo de la facultad al incursionar en desarrollo comunitario como modalidad de graduación para así lograr la excelencia académica que la comunidad manabita merece. Este proyecto es sostenible ya que se permitió la adecuación y mejoramiento de su infraestructura para ser más agradable el buen desarrollo de la transmisión y recepción de conocimientos por parte de docente-alumno.
75
12. REFERENCIAL
12.1 CRONOGRAMA:
ACTIVIDADES
2010-2011
DICIEMBRE ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
Recolección de información x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Análisis de la información x x x x x x x x x x x x x x Plano de la cercha x x x x x Primer avance x Calculo manual de la Cercha x x x x x x x x x x x x x x x x Calculo de la cercha por computadora(software) x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Análisis económico del costo de Kg de cercha. x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Adquisición de los materiales x x x x x Construcción de cerchas metálicas x x x x x Desmontaje de instalaciones eléctricas y tuberías x x x x x x x x x x x x Desmontaje de estructuras y cubierta x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Segundo avance x Instalación de cerchas, correas y cubierta nueva x x x x x x x x x x x x x x x x x Entrega formal de obra x Tercer avance x Elaboración de informe x x x x x x x x
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12.2 PRESUPUESTO:
DISEÑO Y CONSTRUCION DE ESTRUCTURA Y CUBIERTA DEL LABORATORIO DE CENTRALES TERMICAS DE LA FACULTAD DE
CIENCIAS MATEMATICAS FISICAS Y QUIMICAS.
# DETALLE CANT
. P.
UNIT. V. TOTAL 1 PERFIL U 100mm X 50mm X 2mm 18 23,8 428,4
2 PERFIL G 80mm X 40mm X 2mm 35 19,45 680,75 3 ANGULOS DE 25mm X 3mm (1x 1/8") 60 8 480 4 HOJAS DE DIPANEL O.35 DE 6mts. 14 40 560 5 HOJAS DE DIPANEL O.35 DE 5mts. 14 35 490 6 HOJAS DE DIPANEL CURVO 0.35 DE 1.40m 14 10,71 150 7 PLANCHA METALICA DE (60X40X4) 1 30 30 8 CUMBRERA LISO 7 7,86 55,02 9 KG. DE SOLDADURA 6011 30 0,7 21
10 GALONES DE PINTURA ANTICORROSIVA 4 15 60 11 TORNILLOS AUT. 300 5 15 12 DISCO DE CORTE 1 10 10 13 SIERRA 1 3 3 14 IMPREVISTOS 250 15 DESMONTAJE DE CUBIERTA 1 200 16 MANO DE OBRA 1 1500
TOTAL 4933,17
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12.3 ANEXOS 12.3.1 PLANOS DE CERCHAS.
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12.3.2 FOTOS DE OBRA Cubierta Anterior:
Desmontaje de partes eléctricas, tuberías, estructura de madera y cubierta.
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Cubierta y Estructuras nuevas:
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Entrega de obra: Cubierta Actual
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12.4 BIBLIOGRAFIA
Diseño de estructuras de acero método LRFD 2da edición Jack C. McCormac
Catálogos de aceros dipac: catalogo_acero_dipac_v2 pdf www.google.com http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4080020/Lecciones
