Este documento presenta el análisis estructural por elementos finitos de una cimbra utilizada para el sostenimiento de una cámara de chancado primario en una mina. Se modela la cimbra utilizando vigas W8 x 24 lb/ft y se somete a cargas verticales y laterales calculadas a partir de informes geotécnicos. El análisis por elementos finitos determina que los esfuerzos axiales y de flexión en la cimbra se encuentran dentro de límites aceptables y valida el diseño propuesto.
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Juan Luis Menares Rodríguez
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Criterios de la primera y segunda derivadaYoverOlivares
Criterios de la primera derivada.
Criterios de la segunda derivada.
Función creciente y decreciente.
Puntos máximos y mínimos.
Puntos de inflexión.
3 Ejemplos para graficar funciones utilizando los criterios de la primera y segunda derivada.
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U.M. CERRO LINDO
“SOSTENIMIENTO EN CAMARA DE CHANCADO PRIMARIO”
PROYECTO N°:
Memoria de Cálculo
Estructura - Cimbra
DISCIPLINA: DESARROLLO DE PROYECTOS
VyP: MC-
Aprobado por:
Gerente del Proyecto: Miguel Mejía _________________
Cliente : Nexa Resources _________________
FECHA: ELABORADO: REVISADO: EMITIDO PARA: REV.
17-06-19 Víctor Ponce Revisión y Comentarios A
OBSERVACIONES:
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CONTENIDO
1. OBJETIVO................................................................................................................. 2
2. ALCANCE.................................................................................................................. 2
3. UNIDADES ................................................................................................................ 2
4. BASES DE DISEÑO.................................................................................................. 2
4.1 GENERAL ................................................................................................................. 2
4.2 MATERIALES............................................................................................................ 3
5. MODELADO .............................................................................................................. 3
6. CALCULO.................................................................................................................. 4
6.1. DETERMINACIÓN DE CARGAS .............................................................................. 4
6.2. DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE ............................................................................. 4
6.3. CARGAS A SOPORTAR........................................................................................... 5
6.4. ESFUERZOS............................................................................................................. 5
6.5. FUERZAS.................................................................................................................. 7
6.6. CALCULO DE CONEXIONES .................................................................................. 8
6.7. CALCULO DE PLACA BASE .................................................................................. 10
6.8. SELECCIÓN DE PERNOS DE ANCLAJE .............................................................. 10
7. CONCLUSIONES.................................................................................................... 11
8. RECOMENDACIONES ........................................................................................... 11
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1. OBJETIVO
Los objetivos del presente documento son:
Calcular, definir y evaluar si la carga y esfuerzos a la cual está sometida la cimbra se
encuentra con un factor de seguridad permisible y no causará algún daño alguno, esto
se determinará mediante el análisis de elementos finitos FEM – Ansys Workbench.
Verificar que las características mecánicas, físicas y dimensiones geométricas de las
cimbras, cumplen con las exigencias de carga y se ciñen a las recomendaciones de las
normas técnicas vigentes.
2. ALCANCE.
El alcance de la memoria de cálculo es la entrega del análisis por elementos finitos de la cimbra
utilizada para el sostenimiento de la cámara de chancado primario – U. M. Cerro Lindo. Con el
propósito de verificar los estados de tensiones y deformación de la estructura para poder validar
el diseño.
3. UNIDADES
Las unidades principales a usar son las del Sistema Internacional SI a no ser que se especifique
el Sistema Inglés.
Cantidad
Sistema Internacional de
Unidades
Sistema Gravitacional
Británico
Unidad Símbolo Unidad Símbolo
Longitud metro m Pie pie
Masa kilogramo kg Libras lb
Fuerza kilogramo fuerza kgf Libra fuerza lbf
Volumen metro cúbico m3 Pie cúbico in3
Área metro cuadrado m2 Pie cuadrado in2
Tabla 1. Sistema de Unidades.
4. BASES DE DISEÑO
4.1 GENERAL
El diseño estructural se realiza de acuerdo a las siguientes normas, códigos, estándares y
Referencias que se indican a continuación.
American Institute of Steel Construction (AISC)
American Society for testing and materials (ASTM)
- A36 / A36M-14 Standard Specification for Carbon Structural Steel
- A325 Standard Specification for Structural Bolts, Steel, Heat Treated, 120/105
ksi Minimum Tensile Strength
American National Standards Institute (ANSI)
American Iron and Steel Institute (AISI)
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4.2 MATERIALES
Para el material de los perfiles se está considerando acero estructural ASTM A36, y para el
soldeo en la fabricación se utilizará el proceso por arco eléctrico con electrodo revestido
(SMAW). Su uso general es para elementos estructurales sometidos a cargas mecánicas.
El acero A36 tiene como propiedades mecánicas:
ASTM A36
Resistencia a la fluencia (𝐹𝑦): 250 Mpa /36 ksi
Resistencia ultima a la Tensión (𝐹𝑢): 400 Mpa / 58 ksi
Las propiedades de los elementos usados para la fabricación:
Viga W8 x 24 lb/ft, ASTM A36
Area (in2) 7.08
Inercia (in4) 82.7
σ(MPa) ASTM A36 250
σ(Ksi) ASTM A36 36
w (kg/m) 36.54
Gravedad (m/s^2) 9.81
w(N/m) 358.45
5. MODELADO
La cimbra se fabricará de viga estructural W8 x 24 lb/ft, la cual soportara el peso de las rocas
que tiene una carga de 68 Tm (tonelada métrica) según el reporte geomecánico R-GM-28-2019,
además indica que en la cámara de chancado existe valores de esfuerzo vertical 2MPa y
esfuerzo principal 15 Mpa (ver figura N°1).
Figura 1: Modelado de cimbra idealizado
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Las zonas presentan una sección que no es uniforme y varían en ancho, altura y longitud por lo
cual se buscó analizar una zona más crítica, considerando que las diferentes zonas A, B, C, D,
E, F y G tienen la misma carga (reporte geomecánico). Se representa en el modelado idealizado
una sección donde la altura (8300 mm) y el ancho (6374 mm) es mayor en la menor longitud
(2100 mm).
6. CALCULO
6.1. DETERMINACIÓN DE CARGAS
Para poder determinar las cargas laterales y verticales utilizaremos la metodología de cálculo
de Terzaghi (1946).
- 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑈𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚𝑒 𝑉𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 (𝑃𝑣) = 𝑊𝑥𝑔 = 68000 𝑘𝑔 𝑥 9.81 𝑚
𝑠2⁄
𝑃𝑣 = 667080 𝑁
- 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑈𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚𝑒 𝐿𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙 (𝑃ℎ) = 0.3 𝑃𝑣 = 0.3 𝑥 667080 𝑁
𝑃ℎ = 200124 𝑁
6.2. DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE
Donde:
- A: Soporte fijo
- B: Carga uniforme vertical (−667080 𝑁)
- C: Carga uniforme lateral (−200124 𝑁)
- D: Carga uniforme lateral (+200124 𝑁)
Figura 2: Diagrama de cuerpo libre
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6.3. CARGAS A SOPORTAR
Se utilizará el método de Cemal Biron (1987), para calcular las cargas de momento y carga
normal que debe de soportar la cimbra.
∗ 𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚𝑒 = 𝑞𝑡 = 𝑊/ 𝐴
𝑞𝑡 = 68 𝑡𝑜𝑛/ 2.75 𝑚 = 25.18 𝑡𝑜𝑛 𝑚⁄
Donde:
- W: Carga de sostenimiento (68 ton)
- A: Altura de la cuña (2.75 m)
∗ 𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙 = 𝐴 𝑦 =
[0.78 ∗ ℎ + 0.666 ∗ 𝑟] ∗ 𝑞𝑡 ∗ 𝑟3
0.666 ∗ ℎ3 + 𝜋 ∗ 𝑟 ∗ ℎ2 + 4 ∗ ℎ ∗ 𝑟2 + 1.57𝑟3
𝐴 𝑦 =
(0.78 ∗ 6.3 𝑚 + 0.666 ∗ 2) ∗ 25.18 ∗ (2 )3
0.666 ∗ 6.33 + 3.1416 ∗ 2 ∗ 6.32 + 4 ∗ 6.3 ∗ 22 + 1.57 ∗ 23
𝐴 𝑦 = 2.37 𝑡𝑜𝑛
Donde:
- h: Altura de la columna (6300 mm)
- r: Radio de arco (2000 mm)
∗ 𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 = 0.5 ∗ 𝑞𝑡 ∗ 𝑟2
∗ 𝑠𝑒𝑛 𝛼2
− 𝐴 𝑦(ℎ + 𝑟 𝑠𝑒𝑛(𝛼))
𝑀 = 0.42 ∗ 25.18
𝑡𝑜𝑛
𝑚
∗ 22
∗ 𝑠𝑒𝑛 𝛼2
− 2.37 𝑡𝑜𝑛(6.3 + 2 ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝛼))
𝑀 = 21.15 𝑡𝑜𝑛. 𝑚 − 18.28 𝑡𝑜𝑛. 𝑚 = 2.87 𝑡𝑜𝑛. 𝑚
Donde:
- α: Angulo aproximado de inclinación del arco (45°)
6.4. ESFUERZOS
Una vez definido y evaluado la geometría y condiciones de borde según como se muestra el
diagrama de cuerpo libre, se evalúan las tensiones producidas en la estructura. La finalidad
de la simulación es validar los cálculos realizados y analizar los resultados por elementos
finitos – FEM (Ansys Workbech)
∗ 𝐷𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡 𝑆𝑡𝑟𝑒𝑠𝑠 (𝑣𝑒𝑟 𝑓𝑖𝑔𝑢𝑟𝑎 𝑁°3)
𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝐴𝑥𝑖𝑎𝑙 𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑜: 1.73𝑥10−2
𝑃𝑎 (𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑙𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜𝑠 𝐶6𝑥8.2 𝑙𝑏)
𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝐴𝑥𝑖𝑎𝑙 𝑀í𝑛𝑖𝑚𝑜: −1.862𝑥107
𝑃𝑎 (𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛 𝑙𝑎𝑠 𝐶𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎𝑠 𝑊8𝑥24 𝑙𝑏 𝑓𝑡⁄ )
𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝐴𝑥𝑖𝑎𝑙: − 5.47𝑥106
𝑃𝑎( 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑎𝑟𝑐𝑜 𝑊8𝑥24 𝑙𝑏 𝑓𝑡⁄ )
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6.5. FUERZAS
Los cálculos obtenidos mediante la metodología de Cemal Biron se validarán con los
resultados del Beam Tool – Ansys Workbech 16.0.
∗ 𝐵𝑒𝑎𝑚 𝑇𝑜𝑜𝑙 (𝑣𝑒𝑟 𝑓𝑖𝑔𝑢𝑟𝑎 𝑁°6, 𝑁°7, 𝑁°8)
𝑀𝑎𝑥 𝑆ℎ𝑒𝑎𝑟 𝑓𝑜𝑟𝑐𝑒: 26369 𝑁
𝑀𝑎𝑥 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐵𝑒𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡: 30955 𝑁. 𝑚
𝐴𝑥𝑖𝑎𝑙 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒: 83385 𝑁 (𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛)
Se compara el momento de flexión obtenida por FEM con el calculo 30955 𝑁. 𝑚 ≅
2.87 𝑡𝑜𝑛. 𝑚
Figura 5: Combinación de stress a compresión
Figura 6: Shear Force
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6.6. CALCULO DE CONEXIONES
Para determinar la cantidad y dimensión de los pernos de las juntas placadas importamos los
resultados por FEM del diagrama de Shear – Moment (Tabla N°2- Ítem 421), para una
longitud de 6.3 metros en donde se ubica conexión de pernos.
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑆ℎ𝑒𝑎𝑟 𝑓𝑜𝑟𝑐𝑒: 23879 𝑁
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐵𝑒𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡: 22780 𝑁. 𝑚
𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴𝑥𝑖𝑎𝑙 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒: 83385 𝑁
Figura 7: Bending Moment
Figura 4: Axial force
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Los pernos están sujetos a una combinación de corte y tensión en una conexión de tipo
aplastamiento, los esfuerzos serán calculado mediante el método LRFD. Para la conexión
se utilizarán pernos estructurales pesadas de la norma ASTM A325 de diámetro 5/8” x 6
tornillos.
Resistencia de Sujetadores (Mpa) – ASTM A325
Resistencia Nominal a la tensión (𝐹𝑛𝑡): 620 Mpa /90 ksi
Resistencia Nominal al cortante (𝐹𝑛𝑣): 410 Mpa /60 ksi
∗ 𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛
𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 (𝑓𝑟𝑣) = 2 ∗ [23879
6 ∗ (5
16⁄ ")
2
∗ 𝜋
⁄ ] = 47758
1187𝑥10−6⁄ = 40 𝑀𝑝𝑎
𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛(𝑓𝑟𝑡) = 2 ∗ [83385
6 ∗ (5
16⁄ ")2 ∗ 𝜋⁄ ] = 166770
1187𝑥10−6⁄ = 140 𝑀𝑝𝑎
∗ 𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑖𝑛𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (𝜙𝐹¨ 𝑛𝑡
,
)
𝜙𝐹𝑛𝑡
,
= 0.75 (1.3 𝐹𝑛𝑡 −
𝐹𝑛𝑡
𝜙𝐹𝑛𝑣
⁄ 𝑓𝑟𝑣)
𝜙𝐹𝑛𝑡
,
= 0.75(1.3𝑥620 − 620
0.75 ∗ 410⁄ ∗ 40 𝑀𝑝𝑎) > 140 𝑀𝑝𝑎
𝐹𝑛𝑡
,
= 544.5 𝑀𝑝𝑎 > 140 𝑀𝑝𝑎, 𝑆𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒
Item Length [m] Total Shear Force [N] Total Bending Moment [N·m] Total Displacement [m]
1 0 25379 25821 0
2 1.02 17517 3944.4 1.62E-03
3 2.01 9655.1 9388 3.81E-03
4 3 1793.1 14937 4.64E-03
5 4.02 6307.2 12513 3.24E-03
6 5.01 14169 2259.5 3.92E-05
7 6 22031 15778 3.48E-03
8 6.3 23879 22780 4.24E-03
9 7.0159 2148.4 30080 4.09E-03
10 8.0003 23040 15704 7.21E-04
11 9.0144 25429 10267 7.77E-03
12 10.005 9598.5 28796 1.19E-02
13 11.025 10798 27878 1.17E-02
14 12.015 25690 7979.2 7.23E-03
15 13.029 22347 17735 1.77E-04
16 14.013 232.43 30186 4.24E-03
17 15 21793 14463 3.30E-03
18 16.02 13693 3513.3 3.74E-04
19 17.01 5830.7 13059 3.45E-03
20 18 2031.3 14822 4.65E-03
21 19.02 10132 8497.6 3.64E-03
22 20.01 17994 5542.3 1.41E-03
23 20.94 25379 25821 0
Tabla 2: Cargas del diagrama de Shear-Moment
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6.7. CALCULO DE PLACA BASE
El diseño de la placa base está sometida a carga a compresión en el área de apoyo de
concreto, es necesario que la carga de la columna se distribuya en un área suficiente para
evitar que se sobre fuerce el concreto. El material de la placa base es de acero ASTM -A36
para una columna W8x24 lb/ft (Fy=250 MPa) que soporta una carga axial Pu= 83385 N. Se
considera un concreto que tiene una resistencia específica a compresión 𝑓𝑐
,
=
2.5 𝑘𝑠𝑖 (17.2 𝑀𝑝𝑎) y suponemos que el área del concreto de soporte es mucho más grande
que el área de la placa base.
∗ 𝐷𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑒
𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑟𝑒𝑡𝑜 (𝐴2) = 203.2 ∗ 165 = 33528 𝑚𝑚2
, √
𝐴2
𝐴1
= 2
𝐴𝑟𝑒𝑎 (𝐴1) =
𝑃𝑢
𝜙𝑐 ∗ 0.85 ∗ 𝑓𝑐
,
∗ √
𝐴2
𝐴1
=
83385 𝑁
0.6 ∗ 0.85 ∗ 17.2 ∗ 2
= 4752.9 𝑚𝑚2
𝑅𝑒𝑣𝑖𝑠𝑖ó𝑛 = √
33528
4752
= 2.65 > 2
𝑂𝑝𝑡𝑖𝑚𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑒 (∆) =
0.95𝑑 − 0.8𝑏𝑓
2
=
0.95 ∗ 203.2 − 0.5 ∗ 165
2
= 55.27 𝑚𝑚
𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜 (𝑁) = 𝑑 + ∆ = 203.2 + (2 ∗ 55) = 313 𝑚𝑚 ≅ 320
𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 (𝐵) = 𝑏𝑓 + ∆ = 165 + (2 ∗ 55) = 275 𝑚𝑚 ≅ 280
∗ 𝐷𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 (𝑡)
𝑡 (𝑟𝑒𝑞) = ∆ ∗ √
2 ∗ 𝑃𝑢
0.9 ∗ 𝐹𝑦 ∗ 𝐵 ∗ 𝑁
= 55.2 ∗ √
2 ∗ 83385
0.25 ∗ 250 𝑀𝑃𝑎 ∗ 320 ∗ 280
= 9.53 𝑚𝑚 (𝑚𝑖𝑛)
6.8. SELECCIÓN DE PERNOS DE ANCLAJE
La selección del sistema de anclaje está basada en la menor resistencia al arrancamiento
y desprendimiento del concreto o en la resistencia a la adherencia para anclajes adhesivos,
se calcula la capacidad del anclaje utilizando las tablas de diseño de resistencia
simplificadas de Hilti, seleccionamos un sistema de anclaje adhesivo HIT-HY 200 con varilla
roscada HAS, las varillas cumplen con ISO 898 Clase 5.8 con una resistencia mínima a la
tracción fu = 72.5 ksi (500 Mpa) y una resistencia mínima a la fluencia fy = 58 ksi (400 MPa).
La varilla tiene un diámetro nominal 7/8” con un empotramiento efectivo 267 mm y una
resistencia de diseño tensión 𝜙N n = 118.1 Mpa
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∗ 𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜
𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 (𝑁𝑑𝑒𝑠) = 𝑛 ∗ 𝜙 ∗ 𝑁𝑛 = 4 ∗ 0.75 ∗ 118.1 = 354 𝑀𝑃𝑎
∗ 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛
𝐶𝑜𝑚𝑏𝑖𝑛𝑒𝑑 𝑆𝑡𝑟𝑒𝑠
𝑁𝑑𝑒𝑠
=
63.35 𝑀𝑝𝑎
354 𝑀𝑃𝑎
< 0.2
0.17 < 0.2 , 𝑆𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑒
7. CONCLUSIONES
- Se verificó que las cargas aplicadas a la estructura no generan esfuerzos que excedan
los límites permitidos por las normativas vigentes.
- Frente a la carga de 68 ton, el perfil más crítico W8x24 lb/ft se encuentra en un factor de
seguridad F.S =3 de su capacidad de limite a la fluencia.
8. RECOMENDACIONES
- Para todos los elementos estructurales, se recomienda utilizar acero ASTM A36.
- Colocar soportes fijos en los puntos inferiores del marco metálico para evitar
hundimientos.
- Se recomienda no realizar una separación una fabricación mayor a las dimensiones
realizadas en el cálculo.
- Se recomienda cumplir con las recomendaciones del cuidado de materiales, esto es, los
perfiles metálicos de las estructuras.
- Se recomienda aplicar las buenas prácticas constructivas de ingeniería y todo lo
necesario para que se cumpla lo especificado en los planos.