Diseno estructural de un puente grua

EEESSSCCCUUUEEELLLAAA PPPOOOLLLIIITTTÉÉÉCCCNNNIIICCCAAA NNNAAACCCIIIOOONNNAAALLL
Facultad de Ingeniería Mecánica
Estructuras Metálicas
Proyecto Final
Tema: Diseño estructural de un puente grúa tipo
Integrantes:
Santiago Morales
César Silva
Semestre: Noveno
Fecha de entrega: sábado 15 de enero de 2011

Escuela Politécnica Nacional
Facultad de Ingeniería Mecánica _______________________Estructuras Metálicas
- 1 -
ÍNDICE DE CONTENIDO
CAPÍTULO I
1.1. Introducción .....................................................................................................3
1.2 Planteamiento del problema..............................................................................3
1.3 Objetivos...........................................................................................................4
1.3.1 Objetivo general .........................................................................................4
1.3.2 Objetivos específicos..................................................................................4
CAPÍTULO II
2.1 Fundamentos de los puentes grúa ....................................................................4
2.2. Concepto..........................................................................................................5
2.3 Características y tipos de puentes grúa ............................................................5
2.3.1 Puente grúa monorriel ................................................................................5
2.3.2 Puente grúa birriel ......................................................................................6
2.3.3 Puente grúa pórtico ....................................................................................6
2.3.4 Puente grúa semipórtico.............................................................................8
2.4 Partes del puente grúa......................................................................................8
2.4.1 Viga ............................................................................................................9
2.4.2 Testero .......................................................................................................9
2.4.3 Motores de movimiento general................................................................10
2.4.4 Mandos de puente grúa............................................................................10
2.4.5 Polipasto...................................................................................................11
2.4.6 Línea de alimentación...............................................................................11
2.4.7 Gancho.....................................................................................................12
CAPÍTULO III.
3.1 Procedimiento de diseño……………………………………………………………13

- 2 -
3.2 Diseño de Columnas………………………………………………………………..13
3.2.1 Identificación de las cargas que intervienen en el problema…………..…13
3.2.1.1 Carga W …………………………………………………………………15
3.2.1.1.1 Carga muerta MW ………………………………………………….15
3.2.1.1.2 Carga viva VW …………………………………………………..…20
3.2.1.2 Carga de Sismo SSW
…………………………………………………...20
3.2.2 Diseño de la columna principal (elemento c fig. 1)……………………….22
3.2.2.1 DCL del pórtico………………………………………………………….23
3.2.2.2 DCL de la columna……………………………………………………..25
3.2.3 Diseño de la columna secundaria (elemento b fig. 1)……………………..…30
3.2.3.1 DCL general del pórtico sin las columnas base……………………….30
3.2.3.2 DCL de la columna……………………………………………………….31
3.3 Diseño de la placa base para la columna principal inferior…………………..…35
3.4 Diseño de la sección inclinada……………………………………………………..39
3.5 Diseño de cimentaciones…………………………………………………………...46
3.5.1 Cálculo………………………………………………………………………….49
3.5.1.1 Diámetro mínimo de los pernos……………………………………….50
3.5.1.2 Determinación de la longitud efectiva del perno……………………..51
3.5.1.3 Esfuerzo de adherencia………………………………………………...52
3.5.1.4 Longitud total del perno………………………………………………...53
3.5.1.5 Longitud del ala del perno…………………………………………...…53
3.5.2 Determinación del ala del perno……………………………………………..53
3.6 Diseño de la viga carrilera………………………………………………………….54
3.7 Diseño final del pórtico……………………………………………………………...58
ANEXOS………………………………………………………………………………….62

- 3 -
DISEÑO DE UN PUENTE GRÚA TIPO
CAPITULO I
1.1. Introducción.
A nivel industrial se utiliza ampliamente el puente grúa, el cual es un equipo que
ofrece levantar y trasladar cualquier material o equipo con gran facilidad. Es un
tipo de aparato de elevación compuesto por una viga, simple o doble, biapoyada
sobre dos carriles elevados sobre unos postes, dispuestos sobre una estructura
resistente. El movimiento longitudinal se lleva a cabo mediante la translación de la
viga principal o puente a través de los carriles elevados. En la práctica totalidad de
los casos, la rodadura es por ruedas metálicas sobre carriles también metálicos.
El movimiento transversal se realiza mediante el desplazamiento de un polipasto o
carro sobre uno o dos carriles dispuestos sobre la viga principal.
El movimiento vertical se ejecuta a través del mecanismo de elevación: polipasto o
carro.
1.2 Planteamiento del problema.
Los países en desarrollo requieren de un aparato productivo que pueda satisfacer
las necesidades de la industria en sus diferentes áreas. Una de estas áreas es la
metalmecánica, la cual apoya y aporta al desarrollo productivo de sectores
estratégicos tales como el petrolero, la construcción, la minería, etc.
Por lo tanto, es fundamental el aporte que pueda brindar la universidad a la
industria metalmecánica mediante el desarrollo del presente proyecto, el mismo
que será una herramienta que pueda utilizar el empresario que desee montar una
industria metalmecánica.
Al aplicar las normas y estándares internacionales en este tipo de estructuras, el
prototipo diseñado cumplirá con los requerimientos de seguridad y funcionalidad
de la industria metalmecánica.

- 4 -
Los resultados obtenidos con el estudio permitirán al empresario tener una
herramienta que pueda utilizar para realizar un proyecto metalmecánico.
Las características de la instalación donde operara nuestro diseño es considerado
tomando en cuenta las prestaciones actuales y las mejoras que requieren las
industrias locales, dicha información se halla contenida en el anexo #1.
1.3 Objetivos.
1.3.1 Objetivo general.
Diseñar un puente grúa tipo, para una industria metalmecánica.
1.3.2 Objetivos específicos.
Desarrollar la industria metalmecánica lo cual genera ventajas al aparato
productivo del país.
Obtener el diseño de un sistema estructural que sirva de base para las
necesidades de infraestructura de una industria metalmecánica.
Minimizar los tiempos de fabricación y montaje.
Satisfacer las necesidades del sector productivo mediante la implementación
del puente grúa tipo.
CAPÍTULO II
2.1 Fundamentos de los puentes grúa
En el campo industrial, para el manejo de materiales en tarimas conviene un
transporte propio y específico, como podría ser el montacargas. Pero algunos
trabajos de manejo de material no pueden llevarse a cabo con tal vehículo. Cargas
más grandes, más pesadas y/o más incomodas requieren la versatilidad de una
grúa, especialmente si el recorrido de transporte es complicado.

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2.2 Conceptos.
La grúa es una herramienta de la industria de la construcción, también utilizada
para la elevación y transporte de carga que, instalado sobre vías elevadas permite
a través de su elemento de elevación (polipasto) y de su carro, cubrir toda la
superficie rectangular entre la que se encuentra instalado.
2.3 Características y tipos de puentes grúa ya existentes.
Los puente grúa son aparatos destinados al transporte de materiales y cargas en
rangos de 1-500 Tm. Por medio de desplazamientos verticales y horizontales en el
interior y exterior de industrias y almacenes. Consta de una o dos vigas móviles
sobre vigas carrileras, apoyada en columnas, a lo largo de dos paredes opuestas
al edificio rectangular.
2.3.1 Puente grúa monorraíl.
El puente grúa monorraíl está constituido por una viga y es una solución eficaz
para mover cargas cuando resulta necesario aprovechar toda la altura disponible
del local y el edificio no es extremadamente ancho.
Los puentes grúa de este tipo disponen de doble velocidad en todos los
movimientos (elevación, traslación del carro y traslación del puente) y están
equipados con polipastos como se muestra en la figura 01.

- 6 -
Fig. 01. Puente grúa monorraíl.
2.3.2 Puente grúa birriel.
Consta de doble viga donde se apoya el carro que sustenta el polipasto figura 02.
Este modelo permite alcanzar la máxima altura del gancho. Es ideal para cargas
elevadas o naves con luz media o grande. La capacidad total de carga puede
alcanzar 500 Tm.
Fig. 02. Puente grúa birriel.
2.3.3 Puente grúa pórtico.
Puede monorriel o birriel y se diferencia de las anteriores por que la o las vigas
están conectadas fijas al pórtico y el mismo pórtico el que se traslada a lo largo de
la instalación, esto se puede observar en la figura 03 mostrada a continuación.

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Fig. 03 Puente grúa pórtico.
2.3.4 Grúas semipórtico.
Es una estructura que desde un lado tiene una perspectiva de puente grúa y
desde el otro es un puente monorriel o birriel. En uno de los lados consiste en una
serie de columnas fijas u por el otro en columnas móviles que va fija a la viga de
carga. La función de la columna móvil es la de desplazarse a la misma altura de la
carga a través de un riel que se encuentra sujeto al suelo, observar figura 04.
Fig. 04 Puente grúa semipórtico.
2.4 Partes de un Puente Grúa.

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En la figura XX mostrada a continuación se presentan los componentes típicos de
un puente grúa.
Fig. 05 Partes de un Puente Grúa Monorriel
1. Armario traslación 12. Soportes protección mangueras
2. Armario del polipasto 13. Botonera con conector
3. Final carrera de elevación 14. Soportes de las mangueras
4. Brazo arrastrador alimentación del carro 15. Empalme perfil
5. Soporte fijación 16. Soporte deslizante
6. Carritos 17. Soporte para conducción cable
7. Motor longitudinal 18. Limitador de carga
8. Brazo tomacorrientes 19. Final carrera de traslación carro

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9. Armario traslación 20. Tope accionamiento final carro.
10.Final carrera traslación puente 21. Radio (opcional).
11.Tope final 22. Topes en carro en mono viga.
A continuación se detalla las partes principales que comprende el puente grúa.
2.4.1 Vigas.
Es el miembro principal de carga, constituido por perfiles estructurales cargados
transversalmente al eje de la viga generando esfuerzos de flexión. Ver figura 06
Fig. 06 Vigas de un Puente Grúa
2.4.2 Testeros.
Son carros de traslación que mueven la viga principal del puente a lo largo de su
corredera. Ver figura 07
Fig. 07 Testeros.

- 10 -
2.4.3 Motores de movimiento longitudinal.
Como se puede ver en la figura 08 los motores aportan con la energía motriz a los
testeros para mover el puente grúa en su movimiento longitudinal a lo largo de la
carrilera.
Fig. 08 Motores de Movimiento Longitudinal
2.4.4 Mandos de puente grúa.
Son utilizados para el manejo del puente. Están constituidos por una serie de
botones los cuales permiten el traslado adecuado de la carga ya sea horizontal o
verticalmente y los movimientos de los carros del puente. Los mandos lo puede
realizar una persona desde el piso o desde la cabina de control si es que el puente
lo tiene. Ver figura 09.
Fig. 09 Mandos de Puente Grúa desde piso o cabina.

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2.4.5 Polipasto.
Constituye el componente que está sujeto a la viga principal del puente el cual es
utilizado para elevar cargas desde.
Existen elementos que pueden adicionarse como: gancho de suspensión, carro de
traslación manual o eléctrica, cable botonera más largo, cadena, transmisión
eléctrica con línea de arrastre o deslizante, botonera de mando desplazable. Ver
figura 10
Fig.10 Polipasto
2.4.6 Línea de alimentación.
Constituyen todos los cables que energizan los motores de movimientos de los
carros y el motor de elevación de carga.

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Fig. 11 Cables de Alimentación.
2.4.7 Ganchos.
El cancho es el elemento al que se acopla a la carga. Ver figura 12.
Fig. 12 Gancho.

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CAPÍTULO III
3.1 Procedimiento de diseño.
El procedimiento de diseño estructural consiste:
a) Determinación de los parámetros funcionales.
b) Selección del tipo de estructura.
c) Determinar las cargas que actúan sobre ella.
d) Determinación de los momentos y fuerzas internas en los componentes
estructurales.
e) Selección del material y dimensiones de los miembros y conexiones para
logara seguridad y economía.
f) Revisión del comportamiento de la estructura en servicio.
g) Revisión final.
h) Establecimiento del protocolo de pruebas.
3.3 Diseño de Columnas.-
3.2.1 Identificación de las cargas que intervienen en el problema:
Diagrama del cuerpo libre general

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Fig. 13 Esquema general de las cargas
Análisis del ancho colaborante Ac:
Fig. 14 Especificación del ancho colaborante para el análisis del pórtico
Determinación de la geometría faltante del problema:
A 10 / cos15 10,353 m
, longitud de la viga inclinada
d a sin15 2,679 m
, altura desde el final de B hasta el tope de la estructura

- 15 -
3.2.1.1 Carga W
Representa la suma de la carga muerta MW y la carga viva VW
M VW W W
3.2.1.1.1 Carga muerta MW
M PP SW W W
Donde:
PPW es la carga de peso propio
SW es la carga de seguridad
a. Carga de peso propio PPW
PP X Y ZW W W W W '
Donde
XW es el peso de la estructura (del pórtico)
YW es el peso de los canales entre los perfiles A y la cubierta de acero
ZW es el peso de la cubierta de acero
W ' es el peso del conjunto puente grúa
a.1) Peso de la estructura XW
No sabemos los perfiles que se usan, eso es lo que estamos determinando
Asumimos que los elementos A, B y C (fig. 01) corresponden a perfiles W18x40
que son los que se planean usar para el cálculo de las columnas.
Del manual de la AISC: W18x40 → 2 2
A 11,8 in 7,613E 3 m
Densidad del acero estructura A36 → 3
Kg7850
m

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XW 7,613E 3 2a 2b 2c 7850
XW 7,613E 3 2 10,353 2 1,5 2 4,5 7850
XW 1871,628 kg
a.2) Peso de los canales YW
Se considera poner 14 canales tipo C 150x50x3 para el acople entre los perfiles A
y la cubierta.
Fig. 13 Geometría del perfil C que se quiere usar
2
Ay 2(50 3) (144 3) mm
2
Ay 7,320E 4 m
Y Y CW A A 7850 7,32E 4 6 7850 34,477 kg
a.3) Cubierta ZW
Para la cubierta nos basamos en un tiempo de cubierta “duratecho” de la casa
fabricante NOVACERO.

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Fig. 14 Propiedades del “duratecho”
2Z
kgW " 2,17
m
1
Z CW 2 2,17 A a 269,592 kg
a.4) Peso del puente grúa W '
DCL del puente grúa en posición extrema:
Fig. 15 DCL del puente grúa con el motor y polea en el extremo
1
http://www.novacero.com/ws/novacero/novacero.nsf/paginasc/56183406A14601558825715D00837E75?O
penDocument

- 18 -
Fy 0
CW ' RA RB W
Pero para la posición extrema:
RA RB, se puede despreciar entonces el efecto de RB
W' RA Wc
Lateral en X:
Fig. 16 DCL en la sección lateral del puente
Fy 0
RA 2 RMAX
Por objeto de estudio consultamos la casa fabricante de puente grúa ABUS2
Consideramos un puente grúa birrail ZLK con una luz de 20 m y capacidad de
carga de 5 T (5 kg).
2
http://www.construnario.com/diccionario/swf/27163/@@@@Puentes%20gr%C3%BAa/Informaci%C3%B3n
%20general%20de%20dise%C3%B1o%20puentes%20gr%C3%BAa.pdf

- 19 -
Tabla N° 1. Propiedades del puente grúa birrail ZLK
RMAX se refiere a la reacción máxima en la en el apoyo del puente con la viga
carrilera cuando el puente está en posición extrema y cargado.
RA 2 39,6 KN 79,2 KN
1000N kg
W ' 79,2 KN 5000kg
KN 9,8N
W' 3081,633 kg
Por tanto:
PP X Y ZW W W W W '
PPW 1871,628 34,477 269,592 3081,633 kg
PPW 5257,33 kg
b. Carga de Seguridad SW

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Según la tesis de Guerrero, “Normalización de estructuras metálicas tipo puente
grúa”, se tiene
2S
kgW '' 20
m
S CW 20 2A A Kg
SW 20 2 10,353 6 2484,72 kg
Finalmente:
M PP SW W W
MW 5257,33 2484,72 7742,05 Kg
3.2.1.1.2 Carga viva VW
La única en consideración es la carga de granizo
a) Carga de granizo GW
Es 2
kg100
m
, considerando:
Capa de granizo en el peor de los casos 10 cm
La peor condición de lluvias y granizadas en Quito en el cordonazo de San
Francisco.
Densidad del granizo de kg0,7
l
2G C
kgW 100 2A A
m
GW 100 2 10,353 6 12423,6 kg
3.2.1.2 Carga de Sismo SSW

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Nota importante: para el cálculo de la carga de sismo nos basamos en lo que dice
el código ecuatoriano de la construcción (CEC)3
SS
P E
Z I C
W CORTE BASAL V
R
Donde:
Z es el factor de zona sísmica, Z 0,4 , debido a que Quito es una zona de alto
riesgo sísmico (pág. 22, tabla 1, CEC)
I es el factor de importancia, I 1,0, debido a que nuestra estructura no está
especificada en el listado de la norma (pág. 27, tabla 4, CEC)
C es el factor de conducción de onda del suelo
S
1,25 S
C
T
Donde:
S es el coeficiente del suelo, S 1,2, en Quito se tiene un suelo tipo
Congagua que se clasifica como suelo intermedio.
T es el período de vibración (pág. 13, método 1, CEC)
3/4
T nT C h
Donde:
nh
es la altura básica de la edificación medida desde la base,
nh 4,5 1,5 2,679 8,679 m
TC 0,09 para pórticos de acero
0,75
T 0,09 8,679 0,46
1,2
1,25 1,2
C 3,382
0,46
R es el factor de reducción de respuesta estructural (RW en el SAP 2000),
3
http://www.disaster-info.net/PED-
Sudamerica/leyes/leyes/suramerica/ecuador/otranorm/Codigo_Ecuatoriano_Construccion.pdf

- 22 -
R 7 (pág. 31, tabla 7, CEC)
P es el coeficiente de configuración estructural de la planta
P PA PB
Donde:
PA es el mínimo valor de Pi dado en la pág 29, tabla 5, CEC. PA 1,0
,
debido a que no existen irregularidades en nuestra estructura.
PB 1,0
de igual manera porque no existen irregularidades en la
configuración de nuestra estructura.
P 1,0
E es el coeficiente de configuración estructural en elevación (pág. 30, tabla 6,
CEC)
E EA EB EC
E 1,0 de igual manera debido a que no hay irregularidades en nuestra
estructura.
SS
0,4 1,0 3,382
W 5257,33 kg
7 1,0 1,0
SSW 0,193 5257,33 kg
SSW 1016,017 kg
Finalmente:
M VW W W 7742,05 12423,6 20165,65 kg
W
q 1008,283 kg / m
20
3.2.2 Diseño de la columna principal (elemento c fig. 1)

- 23 -
3.2.2.1 DCL del pórtico
Fig. 17 DCL del pórtico en general
TW 5 1,3 6,5T , lo que representa una condición de seguridad por si existe una
sobrecarga del 30% del puente grúa.
Fx 0
SSR1x W 1016,017 kg
Fy 0
TR1y R2y W W 0

- 24 -
R1y R2y 20165,65 6500 26665,7 kg
M1 0
SS CW 6 W 10 W X R2y 20 0
Determinar la distancia X.-
Para esto asumimos que se desea colocar:
Una columna principal (C) W18x71de 4,5 m
Una columna secundaria (B) W12x35 de 1,5 m
Se coloca una viga carrilera de asiento para el puente grúa W12 x 35
Se coloca una ménsula de 100 x 100
Se muestra esto en el siguiente gráfico:
Fig. 18 Aproximación geométrica de cómo será el extremo del puente grúa

- 25 -
No conocemos la configuración del puente grúa por lo que no es posible
determinar esta distancia X. Sin embargo con una aproximación gráfica se puede
decir que la distancia es de 50 cm.
1016,017 6 20165,65 10 6500 0,5
R2y 10550 kg
20
R1y 26665,7 10550 16115,6 kg
3.2.2.2 DCL de la columna
Fig. 19 DCL resultante de la columna inferior principal
C SSM M M
M 6500 0,5 1016 1,5 4774 kg-m
RT 16115,6 6500 22615,6 kg

- 26 -
Diagramas de cortante y momento flector.-
Nos valemos del programa SAP 2000
Fig. 20 Diagrama de Cortante y Momento Flector
De los análisis del SAP se determina que el momento máximo es de:
Mmax 9346 kgf m
Análisis con carga P equivalente Peq
Peq P 0,2M

- 27 -
P klb
M klb in
2,2046lb 2,2046lb in
Peq 22615,6 kg 0,2 9346 kg m
kg kg 0,0254m
Peq 212,1 klb
Diseño de la columna
Vamos a realizar un procedimiento de prueba y error.-
Material: Acero A572
Propiedad Valor
Sy 50 ksi
Su 65 ksi
E 2100000 kg/cm2
Tabla N° 2.- Propiedades del acero A572
fa (real) Fa (admisible)
Fa 0,55 Sy 27,5 ksi
P
Fa
A
2P 212,1
A 7,71 in
Fa 27,5
Del manual de la AISC observo que si fue válido haber escogido un perfil W18x71
(pág. 1-13)

- 28 -
Propiedad Valor
A (transversal) 20,8 in2
Ixx 1170 in4
Iyy 60,3 in4
rxx 7,50 in
ryy 1,70 in
Tabla N° 3.- Propiedades del perfil W18x71
Se asume que la rigidez de la columna base inferior (elemento C) debe ser mayor
en un 50% a la rigidez de la columna secundaria superior (elemento B).
C BEI 1,5 EI
Determinación del factor de esbeltez de la columna
LK
rmin
rxx es el rmin por que ese es el plano donde va a trabajar el elemento (se
flexiona).
K se determina a partir de G1 y G2
G1 = 1,0 el final de la columna es rígidamente anclado
Ic
columna inferior
LcG2
Ib
columnasuperior
Lb
1,5 I
4,5
G2 0,5
I
1,5
Con los valores de G1 y G2 se calcula K mediante el nomograma de la pág. 5-125

- 29 -
Por tanto:
in
4,5 m 1,25
0,0254m
30,71 31
7,50 in
Ahora bien con Sy = 50 ksi y = 31 en la pág. 5-75 determino Fa
Fa 27,03 ksi
Se determina nuevamente fa :
2
212,1 kips
fa 10,2 ksi
20,8 in
Fa 27,03
F.S 2,65
fa 10,2
fa 10,2
I 0,38 1
Fa 27,03
Finalmente, se ve que es correcto el escoger un perfil W18x71 para la
columna base.

- 30 -
3.2.3 Diseño de la columna secundaria (elemento b fig. 1)
3.2.3.1 DCL general del pórtico sin las columnas base
Fig. 21 DCL del pórtico sin columnas base
Fx 0
T1X 1016 kg
Fy 0
T1y T2y 20165,65 kg
M1 0
1016 1,5 20165,65 10 20 T2y 0
1016 1,5 20165,65 10
T2y
20
T2y 10159,03 kg
T1y 20165,65 10159,03 10006,62 kg

- 31 -
3.2.3.2 DCL de la columna
Fig. 22 DCL de la columna secundaria superior
Del análisis con el SAP 2000:
Fuerza axial máxima:
Fig. 23 Fuerza axial – SAP 2000
T1y = -10006,62 (kg) = -22,061 (Kip)
Diagrama de momento flector y momento máximo:

- 32 -
Fig. 24 Diagrama de momento flector
Mmax = 1524 (kg-m) = 132,277 (Kip-in)
Peq P 0,2M
P klb
M klb in
Peq 22,061 (kip) 0,2 132,277 kip in 48,52 (Kip)
Diseño de la columna
Vamos a realizar un procedimiento de prueba y error.-

- 33 -
Propiedad Valor
Sy 50 ksi
Su 65 ksi
E 2100000 kg/cm2
Tabla N° 2 (repetida).- Propiedades del acero A572
Fa 0,55 Sy 27,5 ksi
P
Fa
A
2P 48,52
A 1,76 in
Fa 27,5
Del manual de la AISC observo que si fue válido haber escogido un perfil
W12x35(pág. 1-13)
Propiedad Valor
A (transversal) 10,3 in2
Ixx 285 in4
Iyy 24,5 in4
rxx 5,25 in
ryy 1,54 in
Se asume que la rigidez de la columna base superior (elemento B) debe ser mayor
en un 50% a la rigidez de la viga techo del pórtico (elemento A).
B AEI 1,5 EI

- 34 -
Determinación del factor de esbeltez de la columna
LK
rmin
flexiona).
G1 = 1,0 el final de la columna es rígidamente anclado (por medio de la soldadura
y la placa base)
Ic
columna superior
LcG2
Ib
viga techo
Lb
1,5 I
4,5
G2 3,45
I
10,353

- 35 -
Por tanto:
in
1,5 m 1,6
0,0254m
18
5,25 in
Fa 28,51 ksi
2
48,52 kips
fa 4,71 ksi
10,3 in
Fa 28,51
F.S 6,05
fa 4,71
fa 4,71
I 0,17 1
Fa 28,51
Finalmente, se ve que es correcto el escoger un perfil W12x35 para la
columna superior.
3.3 Diseño de la placa base para la columna principal inferior.
El perfil seleccionado fue un W18x71, cuyas dimensiones de acuerdo con el
manual de la AISC en milímetros son:

- 36 -
Fig. 25.- Geometría del perfil W18x71
Fig. 26 Esquema del acople placa base y columna inferior principal.
T
PB
P
F'c admisible
A
Donde:
TP se determinó anteriormente en el cálculo de la columna base,
EquivP 96190 kg. Corresponde al valor que ahí se definió como la carga

- 37 -
equivalente que sería la máxima reacción ejercida por la columna a la placa
base cuando el puente grúa está en posición extrema lateral y con el máximo
de carga.
PBA es el área de la placa base que se va a usar.
F'c es el esfuerzo admisible del hormigón.
H
f 'c
F'c
F.S
f 'c es el esfuerzo último del hormigón
H
F.S es el factor de seguridad del hormigón, se evalúa en 4 (igual o mayor).
2
2
kg210
cm kgF'c 52,5
cm4
2
PB
2
96190 kg
A 1832,20 cm
kg52,5
cm
Consideraciones:
Una vez más se acude al método de prueba y error. Se parte primero en
considerar las dimensiones de la sección con la cual se define unas dimensiones
mayores, tomando en cuenta que también debe haber un espacio para los pernos
de anclaje.
Probamos una placa de 600x400 mm que tiene una buena distribución de la
sección y es mayor a la mínima área calculada.

- 38 -
Fig. 27 Geometría de vista superior de la placa base supuesta y el perfil de la
columna.
Mínimo espesor resultante para una placa de 600 x 400 mm
Como se observa en la figura anterior, con la placa supuesta se tiene una
distancia n de 6.543 cm.
2
kgSy 50 ksi 3402,30
cm
Esp. min.
2 2
2
2
kg3 52,5 6,543 cm
cm
t
kg0,6 3402,3
cm
t 1,819 cm 18,19 mm 1in
Por razones de disponibilidad de planchas con espesores de 1in se decide
seleccionar este espesor que es mayor al calculado.
Por lo tanto se tiene una buena selección de las placas bases al decir que se
desea que estas sean de 600x400x25 mm

- 39 -
3.4 Diseño de la sección inclinada
Fig. 28 DCL del pórtico seccionado en la mitad
Los datos de las reacciones y todas las fuerzas representadas ya se obtuvieron
anteriormente
Fy 0
R1y Wss V4y q 10m 0
V4y 16115.6 6500 1008.523x10 469.63 kg
Fx 0
V4x 1016 kg 1016 kg=0
V4x 0
Aislando la sección inclinada, seccionando en el punto 2:

- 40 -
Fig. 29 Perfil inclinado aislado
Por Fx y Fy se tiene que:
R3x 1016 kg
R3y 469.63 kg
Al principio del trabajo se había determinado todos los factores geométricos del
pórtico:
d 10.353 m
x 2.679 m
Tomando en cuenta los ejes x’ y y’ que se mostró en el anterior gráfico se puede
transformar el conjunto de fuerzas mostradas al siguiente equivalente.
Fig. 30 Resultante equivalente

- 41 -
Lo que constituye una combinación de flexión y tracción pero como consideramos
que la carga de vienta es cíclica y mueve a la estructura de un lado para el otro,
podemos considerar que en el peor de los casos este elemento puede estar a
compresión y a parte a flexión.
Como se vio en el estudio de las cargas combinadas cuando existe flexión y
tracción el efecto de la flexión se comprensa con el de la tracción.
Por tanto tomamos en cuenta el peor caso que podría llegar a pasar para analizar
nuestro pórtico:
Fig. 31 Se analiza en el peor de los casos
Fuerza de compresión = 1189.584 N = 0,267 Klbf

- 42 -
Diagramas de cortante y momento flector.-
Valiéndonos del programa SAP 2000
Fig. 32 Diagrama de cortante y momento flector del perfil inclinado
Del análisis en SAP se determina que el momento máximo es:
Mmax 120,3664 KN-m =12271.47 Kfg-m=1065.260 Klb-in
Peq P 0,2M
P klb
M klb in

- 43 -
Peq 0,267 0,2x1065.260 213.319 (Klb)
Diseño del perfil
Perfil planteado: W18X40
Propiedad Valor
Sy 50 ksi
Su 65 ksi
E 2100000 kg/cm2
Tabla N°2 repetida
Fa 0,55 Sy 27,5 ksi
P
Fa
A
2P 213,319
A 7,757 in
Fa 27,5
Propiedades del W18X40 en el manual de la AISC (pág. 1-13)
Propiedad Valor
A (transversal) 11.8 in2
Ixx 612 in4
Iyy 19.1 in4
rxx 7.21 in
ryy 1.27 in
Se necesita mayor rigidez en el perfil inclinado debido a su longitud, por tanto se
asume que su rigidez es el doble de la columna superior que es consecutiva al
mismo (literal B, en la figura 13).

- 44 -
Determinación del factor de esbeltez del perfil inclinado:
LK
rmin
flexiona).
G1 = 1,0 el final de la columna es rígidamente anclado (por medio de la soldadura
y la placa base)
Ic
columna superior
LcG2
Ib
perfil techo
Lb
I
4,5
G2 1.15 1.2
2 I
10,353
K=1,35

- 45 -
Por tanto:
in
10.353 m 1.35
0,0254m
76.319 76
7,21 in
Fa 19.8 ksi
2
213,319 kips
fa 18.078 ksi
11,8 in
Fa 19.8
F.S 1.095
fa 18.078
fa 18.078
I 0.913 1
Fa 19.8
Finalmente, se ve que es correcto el escoger un perfil W18x40 para el diseño
del perfil inclinado del pórtico, aunque es bueno considerar que el índice de
trabajo es casi cercano a 1, de todas maneras, la elección de este perfil
desde el punto de vista de la esbeltez, cumple con los requisitos de diseño.

- 46 -
3.5 Diseño de la cimentación
Fig. 33 Esquema de diseño de la cimentación
La cimentación se basa en la construcción de un plinto.
El plinto no es más que una columna de hormigón que va a soportar la zapata.
La zapata no es más que el asiento del cimiento.
Haciendo la sumatoria de fuerzas longitudinales en el perno:

- 47 -
LF 0
1 2P F F
Siendo:
F1 la fuerza de compresión en el gancho del perno
F2 la resultante de las fuerzas de adherencia entre el perno de anclaje y el
hormigón
Entonces:
p H p
M
fa a L
do
Siendo:
a el valor dato que se indica en la gráfica, está en función de la longitud de
trabajo del perno de anclaje, a ≤ 5% de la longitud de trabajo del perno de
anclaje.
H es la sumatoria de las fuerzas de adherencia
f 'c
fa F'c hormigón = resistencia última del hormigón
F.S
F’c es el esfuerzo admisible del hormigón
De manera que:
Diámetro del perno.-

- 48 -
Fig. 34 Esquema del perno de anclaje
Sy
ft Ft 1,66
F.S
Ft 0,6 Sy
4
P
P
ft Ft
4
Fuerza Po.-
Fig. 35 Esquema de la columna sobre la placa base
Para 4 pernos de anclaje:

- 49 -
XM 2 Po do
Para los pernos de anclaje:
ISO 88, los que vienen con rosca, 2
Sy 64 kg/mm y 2
utS 80 kg/mm
De varilla corrugada norma A-42 (INEN) 2
Sy 4200 kg/cm
La zapata.-
Fig. 36 Esquema gráfico de la zapata
N Po Ai
2
N f 's
Po F's (esfuerzo admisible del suelo) F's=
A F.S
F's f(tipo del suelo)
Se tienen 3 tipos de suelo:
Rocoso 2
f 'c 1000 kg/cm
Limoso, en la sierra 2
f 'c 0,1 kg/cm
Arenoso, en la costa y el oriente 2
f 'c 0.05 kg/cm
3.5.1 Cálculo de los pernos de anclaje.

- 50 -
Los pernos de anclaje ubicados sobre la superficie de la placa base se definen en
un número de 8 elementos, distribuidos simétricamente para que puedan funcionar
adecuadamente para cuando el momento transmitido por la columnas a la
cimentación no desestabilicen el pórtico de sus bases; Así se determina el
diámetro de cada perno como la longitud efectiva de cada uno de ellos.
Cuando un momento actué en la columna, la mitad de los pernos de anclaje van a
soportar ese momento, así el número de pernos que trabajan a tensión son 4; La
distancia entre los ejes de cada perno en el plano en que actúa el momento
determina el par que permite calcular la fuerza aplicada en cada uno de los
pernos.
xM 4.P.d
M
P
4.d
d 520mm
M 4774 kg m
Carga aplicada a cada perno:
M 4774 kg m
P 2295,19 kgf
5204.d
4. m
1000
3.5.1.1 Diámetro mínimo de los pernos:
El esfuerzo de fluencia para los pernos se considera de los que corresponden a
los del tipo ISO 8.8 2 2
kg kg
y mm cm
S 64 6400

- 51 -
2
2
t
p
t y
kg
t mm
kg
t mm
P
f
4
f 0,6S
f 0,6(64 )
f 38,4
Despejando p de la ecuación anterior se tiene:
2
p kgf
t mm
p
4 2295,19kgf4P
.f . 38,4
8,723mm. 16mm Nocumplenorma
Este diámetro calculado representa el diámetro mínimo requerido para soportar la
carga aplicada. Según especificaciones del Euro código EA95 menciona que no
suelen emplearse pernos de diámetro inferior a 16 mm por lo que por facilidad de
encontrar una varilla de un diámetro determinado en el mercado se procede a
elevar el diámetro de la misma a la de 1 in.
3.5.1.2 Determinación de la longitud efectiva del perno.
Para determinar la longitud efectiva del perno se utiliza la siguiente relación:
' '
c p H p
'
' c
c
' '
H c
P F .a. F . . .L
f
F ;Esfuerzo real aplicadoal hormigón.
FS
a 5% ;Ala del perno.
F fr.F ;Esfuerzo de adherencia.
fr factor de adherencia.
L :Longitudefectiva el perno.

- 52 -
2
2
2
'
kg' 'c
c c cm
kg
kg' cm
c cm
f
F f 210 .
FS
FS 4.
210
F 52,5
4
a 0,05L.
3.5.1.3 Esfuerzo de adherencia.
El esfuerzo de adherencia depende del tamaño del resalte de las corrugas del
perno de anclaje, así se tiene el factor de adherencia tomado de la siguiente tabla
en función del diámetro del perno.
Así para un diámetro de una pulgada (25,4mm) el factor correspondiente es:
fr 0,056
2 2
' '
H c
kg kg'
H cm cm
F fr.F
F 0,053.(52,5 ) 2,54
' '
c p H p
P
L
F .0,05 F . .
2 2
kgf kgf
cm cm
kg kg kg
cm cm cm
2295,19kgf
L
52,5 2,54cm 0,05 2,94 . . 2,54cm
2295,19kgf 2295,19
L 80cm
6,6675 23,46 30,13
Como se puede observar la longitud efectiva del perno es de 80cm.

- 53 -
3.5.1.4 Longitud total del perno.
La longitud total del perno se determina a partir de la longitud efectiva del perno
más la longitud correspondiente al espesor de la placa base y por último la
longitud de roscado del perno.
T placa rosca
T
T
L L e L
L 80cm 2,54cm 5cm
L 85cm
3.5.1.5 Longitud del Ala del perno.
Corresponde al 5% de la longitud efectiva.
a 5%.L
a 0,05. 80cm 4cm
3.5.2 Determinación del área de la zapata.
El área de la zapata se determina a partir de la carga Axial equivalente que
corresponde a la mayor carga aplicada sobre el eje de la columna a transmitirse a
la cimentación.
Para determinar el área de la zapata se debe cumplir con la siguiente relación:
'
s2
N
F
A
'
s
N: Carga Axial.
F :Esfuerzo admisible del suelo.

- 54 -
Se toma como parámetro que el suelo es de tipo Limoso, y por lo tanto tiene un
esfuerzo último de 2
kg
cm
1 .
2
2
2
kg'
kg' c cm
s cm
2 2
kg'
s cm
1f
F 0,25 .
FS 4
N 79126,032kg
A 316504,128cm .
F 0,25
A 562,58cm 5,63m
El cálculo anterior mostrado indica que la zapata debe cubrir un área de 5,63 m
por cada lado.
3.6 Diseño de la viga Carrilera.
Para el diseño de la misma se toma como condición extrema de trabajo que el
puente grúa este ubicado en el centro de la viga y que toda la carga del puente
grúa este ubicada en el extremo próximo a la viga carrilera.
Como se menciono anteriormente la carga de trabajo del puente grúa es de 5
toneladas pero se tomo una sobre carga que sube a un valor de 6,5 toneladas,
esta última es la carga dominante para el diseño de la viga de 6 metros de
longitud.
P 6,5Ton 14,33Kip
L 6m 19,685ft 236,22in

- 55 -
Fig. 36 Estado de carga de la viga carrilera.
Fig. 37 Diagrama de momento flector (Kip-ft).
Fig. 38 Diagrama de esfuerzo cortante (kip).
Como primera aproximación se asume que: b yF 0,66S 0,66(50Ksi) 33Ksi
Con este valor se procede a calcular una sección para tener una referencia de la
misma, así entonces se tiene:

- 56 -
2
3
Kip
b in
M 859,34Kip in
S 26,04in .
F 33
De las tablas de la AISC se tiene un módulo se sección próxima con el perfil:
3
1
c
u
R
W8x31
S 27,5in .
L 7,2ft
L 14,5ft L
M 76kip ft
L Lu
Como se puede observar esta aproximación nos indica que estado de análisis
para la viga corresponde al tercer caso donde independientemente de la sección
uL L y b yF 0,6S .
Ahora se quiere determinar qué valor de esfuerzo admisible bF determina la
esbeltez F del elemento.
3
b
i b
y
3
b
i
y
2
1 1
b
2 2
1
2
102x10 C
L ;C :Factor de gradiente de momento.
S
510x10 C
L
S
M M
C 1,75 1,05 0,3
M M
M Menor momentoen los extremos.
M Mayor momentoen los extremos.

- 57 -
Según nuestro diagrama de momento flector 1 2M y M son cero y por lo tanto
bC 1,75
i F sL L
F
T
L 236,22in
108,36
r 2,18in
3
i
3
i
2
b 3
102x10 .(1,75)
L 59,74
50
510x10 .(1,75)
L 133,60
50
50 108,42
F .50 22,36Ksi
3 1530 x10 1,75
.
Segunda Aproximación:
3
2
859,34 Kip in
S 38,43 in
22,36 Ksi
De las tablas de la AISC se escoge un perfil aproximado al módulo de la sección,
con lo que se tiene el perfil:
3
3 2
R
c
u
W12x30
S 38,6 in . S
M 106 Kip ft
L 5,8 ft
L 7,8 ft L
L Lu
Como la longitud de la viga es aún mayor a la longitud última, se procede
nuevamente a calcular una esbeltez.

- 58 -
F
T
F s
L 236,22in
136,54
r 1,73in
L
Esta esbeltez nos indica otro método de cálculo para bF
3
b
b 2
T
3
4
170x10 C 170x1000x1,75
F 15,95 Ksi.
L (136,54)
r
859,34Kip in
S 53,87in .
15,95Ksi
Tercera Aproximación.
Ahora se escoge un perfil con módulo de sección mayor a la última calculada y
que además tenga una longitud última mayor a la de la viga.
Así tenemos entonces:
u
3
5 4
R
'
y
W10x54
L 20,3 ft. L
S 60 in . S
M 165kip ft
F 63,5Ksi.
Con lo cual se llega a la selección este perfil como el más adecuado para la viga
carrilera.
Factor de seguridad;
63,5
FS 3,98
15,95

- 59 -
3.7 Diseño final del pórtico.-
Fig. 39.- Diseño del pórtico
Se puede observar:
Las placas bases
La columna inferior principal W18x71
La columna superior secundaria W18x40
La viga inclinada de perfil W18x40
Se muestra un detalle más ampliado:
Fig. 40 Ampliación y detalles

- 60 -
Fig. 41 Diseño del Galpón
Fig. 42 Ampliación donde se puede observar la viga carrilera en rosado y los
canales C en violeta donde se pondrá el Novatecho

- 61 -
BIBLIOGRAFÍA
Diseño de Estructuras de Acero, Bresler, LIN y SCALZI, Editorial
LIMUSA, 1970
Diseño de Estructuras Metálicas, McCROMAC, JACK, 1971
Manual de la AISC (American Institute of Steel Construction, Inc);
Chicago, Illinois, 1980

- 62 -
ANEXO 1. Determinación de los parámetros funcionales.
Determinación de los parámetros funcionales.
ASPECTOS DE ANÁLISIS Valor (m)
Características generales
del edificio
Ancho : 20
Largo: 36
Altura máxima: 8,87
# de pórticos 7
Localización: Conocoto
Distancia entre pórticos
P1-P2 6
P2-P3 6
P3-P4 6
P4-P5 6
P5-P6 6
P6-P7 6
Número de pórticos
diferente
2 (Extremos)
Características del pórtico
Descripción
Luz: 20
Altura: 8,87
Gradiente: 15°
Tipo de perfil: W
Material: Acero estructural
Conexiones
Columna-Trabe: Soldadura
Trabe-Trabe: Soldadura
Pórtico-vigas grúa: Soldadura
Cimentaciones
Base de la columna: Placa y pernos de

- 63 -
anclaje
Vigas laterales
Material: Acero estructural
Tipo de perfil: W
Puente grúa
Capacidad: 5T
Peso: 3081.6 kg
Luz: 19,75
Número de rieles: 2
Tipo de control de
mando
No determinado
Tipo de perfil: W
Trole y malacate Peso: Considerado en el PG.
Arriostramiento Laterales: Por determinar
Cubierta Paneles de acero (2,17 kg/m2
)

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