MEMORIA DE CALCULO ESTRUCTURA CARRO SISTEMA DE

FIRMAS PROFESIONALES

B 21/11/20 Emitido para revisión Cliente R. GODOY F. LEDEZMA V. CIFUENTES

A 19/11/20 Emitido para revisión Interna R. GODOY F. LEDEZMA V. CIFUENTES

REV. FECHA MOTIVO DE REVISION Por Revisó Aprobó Cliente

ORDEN DE COMPRA CONTRATO N°

DOCUMENTO N°

S3D-MC-INF-ESTRUCTURA-CARRO-FEM-001 REV. B

MEMORIA DE CALCULO ESTRUCTURA CARRO SISTEMA DE

TRANSMISION

MEMORIA DE CALCULO ESTRUCTURA CARRO Y SISTEMA DE TRANSMISION

SRM PUENTE GRUA Código: Revisión : B Fecha : 21/11/2020

Página 2 SOLUCIONES 3D LTDA. Contacto Gerencia: (+56) 944069038 – (+56) 989491167; Dirección: Eduardo Abaroa #1418. Calama – Chile.

ÍNDICE

1.0 INTRODUCCIÓN. ............................................................................................... 3

2.0 OBJETIVO. ........................................................................................................... 3 3.0 ALCANCE. ............................................................................................................ 4

4.0 DOCUMENTOS DE REFERENCIA. ................................................................ 5

5.0 ESTRUCTURA ANALIZADA. ............................................................................ 7 6.0 ANTECEDENTES DE CARGA Y CONDICIONES DE BORDE .................. 8

6.1 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ....................................................... 8 6.2 CALCULOS DE ANALISIS TORQUE MOTORREDUCTOR. ...................... 9

6.2.1 CARGA PERMANENTE (D). ........................................................................... 9

6.2.3 CARGA DE USO (L). ...................................................................................... 10

6.3 DIAGRAMA CUERPO LIBRE Y MALLADO DE LA ESTRUCTURA CARRO ........................................................................................................................ 11 7.0 CRITERIO DE DISEÑO ..................................................................................... 14 7.1 VERIFICACIONES MECÁNICA - ESTRUCTURAL. ................................... 14

7.2 MÉTODO DE DISEÑO Y CÁLCULO ESTRUCTURAL. ............................. 14 7.3 ESFUERZO ADMISIBLE Y FACTOR DE SEGURIDAD. ........................... 15

8.0 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DEL CÁLCULO ESTRUCTURAL. ... 16 8.1 ESFUERZOS. .................................................................................................... 16

8.2 DESPLAZAMIENTOS NODALES. ................................................................. 18

8.3 FACTOR DE SEGURIDAD. ............................................................................ 20 9.0 CONCLUSIONES. ............................................................................................ 22




1.0 INTRODUCCIÓN.

Para el diseño de la Estructura Carro y Sistema de Transmisión,

actualmente se requiere poder analizar el comportamiento mecánico de la

estructura en condiciones reales de uso y verificar el desplazamiento del carro, así

tener una estructura confiable en operación.

Por tal motivo SRM PUENTE GRUA le solicita a la empresa SOLUCIONES

3D LTDA., la cual analizará los comportamientos de la “Estructura carro y sistema

de transición”, el cual se le realizará un análisis a través de elementos finitos con la

finalidad de comprobar que el diseño soporte las cargas y mantenga intacta sus

propiedades mecánicas para asegurar la correcta operación, cuyo modelo se

encuentra en la Fig. 1, del apartado 5.0.

En esta memoria, se entregan los resultados de cálculos y verificaciones

estructurales de Estructura cara, de tal manera de garantizar su operación

(funcionamiento en el tiempo).

El presente documento, hace referencia a las Normas Nacionales e

internacionales aplicables a la Especialidad “Diseño Estructural”.

2.0 OBJETIVO.

El objetivo de este estudio es la verificación de la “Estructura carro y sistema

de transmisión”, de esta forma validar diseño según su funcionalidad y estado de

solicitaciones.




3.0 ALCANCE.

El alcance de la memoria es el cálculo de resistencia mecánica de la

Estructura carro y sistema de transmisión, para ello se estableció 02 función de la

estructura, es decir, que el estudio se enfoca directamente en su aplicación en

terreno.

Mencionado lo anterior, el estudio se enfocará en 02 función directa del

componente:

• El sistema de operar con una carga máxima de 2200 kg, considerando

peso de la estructura, personas y herramientas.

• Se establece un toque máximo de 298,28 [N-m], este torque será

analizado en los dientes de los engranajes de transmisión.

El estudio se localiza en la evaluación de manera de verificar los

estados y comportamientos de dicha componente.

De esta forma se respalda técnicamente el diseño de la estructura

carro medio de los resultados de cálculos estructurales de los elementos que

conforman la estructura proyectada, de acuerdo con “Normativa de diseño

de estructuras” nacional e internacional vigente.




4.0 DOCUMENTOS DE REFERENCIA.

Normas, códigos y publicaciones que se especifican a continuación. Se debe

considerar la versión actualizada.

• Normas Chilenas.

- ES-HP4-070-P-7 REV. 1 Criterio de diseño civil estructural MEL.

- INN, Instituto Nacional de Normalización (Chile),

- NCh.3171 Of. 2010 diseño estructural – Disposiciones generales y

combinaciones de cargas.

- NCh.2369 Of.2003 Diseño Sísmico de Edificios Industriales

- NCH432.OF2010 Diseño Estructural – Cargas de vientos.

- NCh.1537 Of.2009 Diseño Estructural – Cargas permanentes y cargas

de uso

- NCh.428 Of.1957 Ejecución de Construcciones de Acero.

- NCh.203 Of. 2006 Acero para uso estructural – Requisitos.

• Normas Internacionales.

- ANSI AISC360-10 Diseño de estructuras.

- AISC-LRFD, Steel construction manual, Décima tercera edición, Ed.

McGraw Hill.

- RCSC (2009), Specifications for structural joints using ASTM A325 or

A490 Bolts, Chicago Illinois, Estados Unidos de America.

- Kulak G., Fisher J., Struik J. (2001), Guide to design criteria for bolted

and riveted joints, Chicago, Illinois, Estados Unidos de America.

- ASTM American Society for Testing and Materials Specifications.

- ASME American Society of Mechanical Engineering (Boiler and

Pressure Vessel Code).




- AWS American Welding Society, Standards

- American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association

(AREMA).

- American Society of Civil Engineers (ASCE) (Standard N°7-05

Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures).

- Association of Iron Steel Engineers (AISE) (Technical Report N°13.

Guide for the Design and Construction of Mill Building, 2003).




Figura N° 1. Modelo en

3D Estructura Carro. Figura N° 2. Modelo en

3D sistema de transmisión.

5.0 ESTRUCTURA ANALIZADA.

El componente utilizado para la verificación corresponde al modelo solido 3D,

en SolidWorks 2020, graficada en la figura N°1.

El modelo fue obtenido a través de levantamiento in situ y datos

proporcionados por empresa SRM PUENTE GRUA, para la estructura carro, se

evaluará su funcionalidad las cuales ya fueron descritas anteriormente.

Este modelo se utiliza en la aplicación del método de elementos finitos (FEM),

a través del Software SolidWorks 2020.




6.0 ANTECEDENTES DE CARGA Y CONDICIONES DE BORDE

6.1 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

Componente : Perfil Estructural, planchas y tuberías.

Calidad : ASTM A36.

Tipo Modelo : Isotrópico, elástico lineal.

Componente : Cordón de Soldadura.

Nombre : E7018 (AWS).

Tipo Modelo : Isotrópico, elástico lineal.

Método Aplicación : Se recomienda sistema automático (GMAW) o Arco Manual,

según especificación AWS D1.1 y NCh 305, 306.

Propiedad Valor Unidad

Límite elástico 440 Mpa

Límite de tracción 530 Mpa

Propiedad Valor Unidad

Límite elástico 250 Mpa

Límite de tracción 400 Mpa

Densidad 7.850 Kgf/m3

Esfuerzo normal admisible 150 Mpa

Esfuerzo de corte admisible 62,5 Mpa

Módulo Elasticidad de Young 200 Gpa

Módulo de rigidez de Young 79,3 Gpa

Número de Poisson 0,3




6.2 CALCULOS DE ANALISIS TORQUE MOTORREDUCTOR.

Para definir las fuerzas actuantes, se considera la combinación de cargas

según el método de carga máxima aplicada para estructuras de acero. De esta

manera se obtiene una carga mayorada donde actúan el peso propio de la

estructura y sus componentes, la fuerza del viento según el área involucrada y la

fuerza de corte basal (sísmica).

Dónde:

D : Carga permanente

E : Carga sísmica (Según NCh.2369).

L : Carga de uso

Lr : Carga de techo (Según NCh. 1537).

R : Carga de Lluvia (Según ASCE/SEI 07, Cap. 8).

W : Carga del viento (Según CD-7 referencia norma Codelco).

S : Carga de nieve (Según NCh.431).

6.2.1 CARGA PERMANENTE (D).

El peso propio de la estructura se compone de las siguientes partidas:

- Peso propio de la estructura carro: 1992,87 [Kg].

- Peso propio del sistema transmisión: 31,4 [Kg].

D1 =1992,87 [Kg]

D2 =31,4 [Kg]




6.2.3 CARGA DE USO (L).

Las cargas de uso para la estructura según norma NCh.3171 Of. 2010 diseño

estructural – Disposiciones generales y combinaciones de cargas.

- Carga de uso para la estructura carro es de 2200 [Kg], la cual será repartida

en las 08 ruedas de la estructura carro.

L1= 2200 [Kg]

- Carga de uso para sistema de transmisión es de 298,28 [N-m] la cual será

repartida en las 08 ruedas de la estructura carro.

L2= 298,28 [N-m]




6.3 DIAGRAMA CUERPO LIBRE Y MALLADO DE LA ESTRUCTURA CARRO

550 [kg]

550 [kg]

550 [kg] 550 [kg]

Carga máxima = 2200 [kg]

Torque máximo = 298,28 [N-m]




Figura N°3: Mallado Estructura Carro.




7.0 CRITERIO DE DISEÑO

7.1 VERIFICACIONES MECÁNICA - ESTRUCTURAL.

En el presente documento, se verifica la estructura Carro y sistema

transmiscion en los siguientes estados de carga:

- Verificación resistencia estructura carro con su peso propio y carga maxima

de 2200 [kg].

- Verificación resistencia sistema tranmision a un torque de 298,28 [N-m].

- Consideracion cargas viva estatica y movil.

- Verificación por factor de seguridad mínimo (respecto al límite de fluencia).

7.2 MÉTODO DE DISEÑO Y CÁLCULO ESTRUCTURAL.

El método de diseño y cálculo estructural aplicado a la estructura carro y

sistema transicion es un análisis estructural que se aplica los siguientes criterios.

• Carga máxima de uso ≤ Resistencia minorada.

• La Resistencia es la capacidad final del elemento en la falla.

• Las Cargas máximas son las de servicio.

• Diseño basado en estado de falla o estado último (Estados Límites).




7.3 ESFUERZO ADMISIBLE Y FACTOR DE SEGURIDAD.

El límite de fluencia (σFl) o también llamado límite elástico, es el punto

máximo de tensión que puede resistir un material sin sufrir deformaciones

permanentes o plásticas.

El esfuerzo admisible (σAdm) es el límite máximo de tensión para el cual la

estructura está diseñada (Estructura Carro), este límite considera todas las cargas

que actúan en el sistema y queda definido con la siguiente ecuación:

σAdm =σFlF. S.

Se debe cumplir que σmax ≤ σAdm.

Donde σmax es el esfuerzo máximo que experimenta la estructura, para la

carga de trabajo en servicio.

Se utiliza un criterio donde el esfuerzo admisible es igual al 50% del

esfuerzo de fluencia (Esto quiere decir, factor de seguridad mínimo igual a 2.0 para

estructuras).

A continuación, se resumen los siguientes parámetros de diseño, para el

material ASTM A36. Este factor de seguridad será aplicado a ambas estructuras.

Tabla: Esfuerzo admisible acero ASTM A36.

σflu σAdm

250 MPa 125 MPa




8.0 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DEL CÁLCULO ESTRUCTURAL.

A continuación, se presenta los resultados de cálculo mediante el Software

SolidWorks 2020.

8.1 ESFUERZOS.

El análisis FEM entrega el siguiente resultado del esfuerzo máximo de la

estructura carro y sistema de transmisión.

Gráfico Esfuerzo Máximo

Estudio Máximo Axial y de Flexión. (Estructura carro) 125,26 Mpa

Estudio Máximo Axial y de Flexión. (Sistema transmisión) 105,84 Mpa




Figura N° 4. Esfuerzo máximo




8.2 DESPLAZAMIENTOS NODALES.

Desplazamientos nodales de la estructura carro y sistema de transmisión.

Gráfico Máximo

Desplazamientos Resultantes. (Estructura carro). 3,82 (mm)

Desplazamientos Resultantes. (Sistema transmisión). 0,01 (mm)




Figura N° 4. Desplazamientos Nodales Resultantes.




8.3 FACTOR DE SEGURIDAD.

Factor de seguridad de la estructura carro y sistema de transmisión.

Gráfico Factor de Seguridad Mínimo.

Estudio Distribución del F.S. (Estructura carro). 2,0

Estudio Distribución del F.S. (Sistema transmisión). 2,36




Figuras N° 5. Distribución del Factor de Seguridad




9.0 CONCLUSIONES.

De acuerdo con la estructura analizada y según el diseño, modelamiento,

simulación computacional, con el método de análisis por elementos finitos en la

estructura (FEM), permite obtener las siguientes conclusiones:

• El análisis del estudio fue localizado en determinar el comportamiento de

la estructura carro y sistema de transmisión, con las cargas definidas,

considerando peso propio de la estructura, cargas vivas estáticas y

móviles, las cuales fueron estudiadas y pueden aplicar al diseño, para

aquello se realizó 02 análisis estructurales, el cual fue enfocada en la

carga máxima de soporte de la estructura carro y en torque máximo del

motor aplicado al sistema de transmisión, con lo ya expuesto

anteriormente se establece que el diseño de la estructura del carro y

sistema de transmisión puede ser utilizado en zonas seguras de trabajo

con carga expuestas en esta memoria.

• CARGA MÁXIMA DE LA ESTRUCURA CARRO ES DE 2200 [KG].

• EL TORQUE MAXIMO QUE SOPORTE EL SISTEMA DE

TRANSMISIÓN ES DE 298,28 [N-m].

• El esfuerzo Admisible para el acero ASTM A36, según nuestro criterio de

diseño es de 125 MPa. Comparando el esfuerzo máximo obtenido en los

diversos análisis de la estructura carro y sistema transmisión y en relación

directa con en al límite de fluencia del acero A36, LA ESTRUCTURA

CARRO Y SISTEMA DE TRANSMISION SOPORTE EN LOS




DIVERSOS ANALISIS NO SUPERA LOS PARÁMETROS

ESTABLECIDOS POR NUESTRO CRITERIOS DE DISEÑO, lo

mencionado anteriormente nos indica que la estructura, se encuentran

DENTRO DE TODOS LOS PARÁMETROS SEGUROS DE TRABAJO Y

POR DEBAJO DE LOS LÍMITES CRITICOS.

• Además, cabe resaltar que el máximo esfuerzo producido en el estudio

de la estructura del carro se produce directamente entre el contacto de

las ruedas del carro con la viga guía del mismo, en el segundo estudio del

sistema de transmisión el esfuerzo se localiza directamente en los dientes

que transmiten la fuerza entre sí, NO OCASIONANDO NINGUNA

DEFORMACIÓN PERMANENTE DENTRO DEL DISEÑO y gran parte del

sistema está muy por debajo de los esfuerzos máximos obtenidos. Este

resultado muestra que las estructuras no sufren deformaciones permanentes.

Tabla: Resultados del Análisis sistema estudiado “Estructura carro y sistema

de transmisión”.

Detalle Estructura

Carro

Sistema

Transmission

Esfuerzo [MPa] 125,26 (MPa) 105,84 (MPa)

Desplazamiento [mm] 3,82 (mm) 0,01 (mm)

Factor de seguridad

(respecto al límite de

fluencia)

2,00 2,36




• El desplazamiento nodal máximo obtenido fue 3,82 (mm) y 0,01 (mm)

respectivamente. Este desplazamiento con relación a la carga expuesta

que está sometida el sistema, nos indica que NOS ENCONTRAMOS

DENTRO DE TODAS LAS DEFORMACIONES PERMITIDAS PARA SU

BUEN FUNCIONAMIENTO EN CONDICIONES EXPUESTAS EN ESTE

ESTUDIO.

• Cabe mencionar que todos los sistemas fueron estudiados en acero

ASTM A36, se recomienda utilizar un acero de igual o mayores

propiedades que el mencionado.

• El factor de seguridad mínimo que se puede utilizar para la estructura es

de 2,0. LOS FACTORES OBTENIDOS DE ACUERDO CON NUESTRO

ESTUDIO NOS INDICA QUE LAS ESTRUCTURAS PROYECTADAS

SOPORTAN TODAS LAS CONDICIONES DE CARGA DEFINIDAS EN

ESTA MEMORIA.

• ES DE GRAN IMPORTANCIA RESALTAR QUE LA ESTRUCTURA

CARRO Y SISTEMA TRANSMISIÓN, SE ENCUENTRA DENTRO DE

TODOS LOS PARÁMETROS SEGUROS DE TRABAJO EN LAS

CONDICIONES EXPUESTAS EN ESTA MEMORIA.

• El siguiente informe no cuestiona las propiedades del acero, mallas y

grating a utilizar ya que es entendido que estos sistemas poseen su propia

documentación y certificados, por lo cual están perfectamente

homologados para su uso en el campo de la Seguridad y Salud Laboral.

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