aplicación del método de elementos finitos y programas computacionales en el diseño estructural d

208 Pages·2008·5.42 MB·Spanish

by  Dr. Capa

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

ESCUELA DE INGENIERÍA

APLICACIÓN DEL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS Y
PROGRAMAS COMPUTACIONALES EN EL DISEÑO
ESTRUCTURAL DE UN GALPÓN PARA EL TALLER DE LA
EMPRESA PROCOPET S.A.

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO
MECÁNICO

OSWALDO XAVIER CORTEZ LATORRE
MARIA VERÓNICA SOTOMAYOR GRIJALVA

DIRECTOR: MSc. IVÁN ZAMBRANO

Quito, Marzo 2007
DECLARACIÓN
Nosotros, María Verónica Sotomayor Grijalva y Oswaldo Xavier Cortez
Latorre, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de
nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado
o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.

A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de
propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela
Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad
Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.

María Verónica Sotomayor Grijalva

Oswaldo Xavier Cortez Latorre
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por María Verónica
Sotomayor Grijalva y Oswaldo Xavier Cortez Latorre, bajo mi supervisión.

Ing. Iván Zambrano, MSc
DIRECTOR DE PROYECTO
CONTENIDO
CAPÍTULO 1. CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEÑO DE
ESTRUCTURAS METÁLICA.................................................................................1
1.1 Introducción............................................................................................1
1.2 Procedimientos de diseño.......................................................................4
1.2.1 Selección del tipo de estructura.............................................................5
1.2.2 Determinación de las cargas de servicio................................................5
1.2.3 Momentos y fuerzas internas.................................................................6
1.2.4 Dimensionamiento de miembros y conexiones......................................7
1.2.5 Funcionamiento bajo condiciones de servicio........................................8
1.2.6 Revisión final..........................................................................................9
1.3 Tipos de cargas ....................................................................................10
1.3.1 Cargas muertas ....................................................................................10
1.3.2 Cargas vivas.........................................................................................11
1.3.3 Cargas accidentales .............................................................................11
1.3.3.1 Viento....................................................................................................11
1.3.3.2 Sismo....................................................................................................12
1.3.4 Factores de carga y combinaciones de carga.......................................12
1.3.5 Factores de impacto .............................................................................13
1.3.5.1 Fuerzas horizontales en grúas..............................................................14
CAPÍTULO 2. FUNDAMENTO TEÓRICO DEL MÉTODO POR
ELEMENTOS FINITOS.........................................................................................15
2.1 Introducción..........................................................................................15
2.2 Descripción general del método por elementos finitos..........................16
2.3 Definiciones fundamentales del método por elementos
finitos.....................................................................................................17
2.4 El proceso de discretización en el método............................................18
2.5 Procedimiento general del análisis por elementos finitos,
aplicando un software...........................................................................20
2.5.1 Preproceso o definición del modelo......................................................20
2.5.2 solución.................................................................................................20
2.5.3 Post proceso.........................................................................................21
2.6 Conceptos fundamentales de modelado por elementos
finitos.....................................................................................................21
2.6.1 Tipos de elementos...............................................................................23
2.6.1.1 Elementos Planos (2D):........................................................................23
2.6.1.2 Elementos Cáscara (SHELL)................................................................24
2.6.1.3 Elemento sólido (SOLID).......................................................................24
2.6.1.4 Elementos tipo barra.............................................................................25
2.6.1.5 Elementos tipo viga (BEAM) .................................................................25
2.6.1.5.1 Aplicación de los elementos tipo Viga...................................................25
2.6.1.5.2 Ejemplo demostrativo de análisis utilizando elemento Viga (BEAM).....28
CAPÍTULO 3. PARÁMETROS DEL PROYECTO..............................................37
3.1 Objetivo.................................................................................................37
3.2 Descripción general de la empresa.......................................................37
3.3 Datos iniciales de diseño......................................................................38
3.3.1 Descripcion del proyecto.......................................................................38
3.4 Ubicación de las instalaciones y datos de sitio.....................................38
3.4.1 Ubicación geográfica ............................................................................38
3.4.2 Datos de sitio........................................................................................40
3.4.2.1 Temperatura Ambiente..........................................................................40
3.4.2.2 Humedad relativa..................................................................................40
3.4.2.3 Velocidad y dirección prevaleciente del viento......................................40
3.4.2.4 Sismicidad.............................................................................................41
3.4.3 Capacidad de las instalaciones.............................................................41
3.5 Descripción de las instalaciones existentes..........................................41
3.6 Tiempo de vida útil y factor de servicio.................................................42
3.7 Criterios de diseño................................................................................42
3.7.1 Sistema de unidades empleado............................................................42
3.8 Diseño de la estructura del taller...........................................................43
3.8.1 Presentacion de alternativas.................................................................43
3.8.1.1 Alternativa 1..........................................................................................43
3.8.1.2 Alternativa 2..........................................................................................43
3.8.1.3 Alternativa 3..........................................................................................44
3.8.1.4 Alternativa 4..........................................................................................44
3.8.2 Estudio de alternativas..........................................................................45
3.8.2.1 Alternativa 1..........................................................................................45
3.8.2.2 Alternativa 2..........................................................................................45
3.8.2.3 Alternativa 3..........................................................................................45
3.8.2.4 Alternativa 4..........................................................................................46
3.8.3 Selección de alternativas......................................................................46
3.8.4 Determinacion de cargas......................................................................48
3.8.4.1 Cargas vivas (W )...............................................................................48
CV
3.8.4.2 Cargas muertas (W ).............................................................................49
n
3.8.4.3 Cargas de viento...................................................................................51
3.8.4.4 Cargas de sismo...................................................................................56
3.8.4.5 Cargas de nieve/granizo (w )................................................................60
g
3.8.4.6 Cargas de maquinaria (W )..................................................................61
m
3.8.4.7 Hipótesis de carga................................................................................63
3.8.4.7.1 Hipotesis 1............................................................................................64
3.8.4.7.2 Hipotesis 2............................................................................................64
3.8.4.7.3 Hipotesis 3............................................................................................65
3.8.4.7.4 Hipotesis 4............................................................................................66
3.8.4.7.5 Hipotesis 5............................................................................................66
3.8.4.7.6 Hipotesis 6............................................................................................67
CAPÍTULO 4. APLICACIÓN DEL PROGRAMA SAP 2000 V 10.0.1
ADVANCED EN LA RESOLUCIÓN DEL PROBLEMA........................................69
4.1 Introducción al programa sap 2000 V10.0.1.........................................69
4.2 Procedimiento de resolución en el sap 2000 V10.0.1...........................69
4.2.1 Selección de unidades de trabajo.........................................................69
4.2.2 Geometría de la estructura...................................................................70
4.2.2.1 Graficar geometría en SAP 2000 v.10.0.1.............................................70
4.2.3 Definición de propiedades.....................................................................71
4.2.3.1 Definición de secciones.........................................................................72
4.2.3.2 Definición de grupos..............................................................................73
4.2.3.3 Definición de estados de carga.............................................................74
4.2.4 Asignación de propiedades...................................................................75
4.2.4.1 Restricciones de grados de libertad en los apoyos...............................75
4.2.4.2 Asignación de grupos............................................................................76
4.2.4.3 Liberación de esfuerzos........................................................................77
4.2.4.4 Asignación de perfiles...........................................................................78
4.2.5 Asignación de cargas............................................................................78
4.2.5.1 Fuerza de Gravedad.............................................................................79
4.2.5.2 Carga muerta........................................................................................79
4.2.5.3 Carga viva.............................................................................................81
4.2.5.4 Carga de viento.....................................................................................82
4.2.5.5 Carga de granizo...................................................................................84
4.2.5.6 Carga de sismo.....................................................................................84
4.2.6 Análisis en el programa.........................................................................85
4.2.7 Visualización de resultados...................................................................86
4.2.7.1 Figura deformada..................................................................................86
4.2.7.2 Diagramas de esfuerzos para los elementos........................................86
4.2.7.3 Visualización de tablas de resultados...................................................87
4.2.8 Selección de los elementos de interés..................................................88
CAPITULO 5. APLICACIÓN DEL PROGRAMAN ALGOR EN LA
RESOLUCIÓN DEL PROBLEMA.........................................................................90
5.1 Introducción al programa algor v.16......................................................90
5.2 Procedimiento de resolución en algor v.16...........................................91
5.2.1 Geometría de la estructura...................................................................91
5.2.1.1 Importación de la Geometría.................................................................91
5.2.1.2 Obtención de la geometría del modelo utilizando herramientas
de ALGOR.............................................................................................92
5.2.2 Definición y asignación de propiedades................................................92
5.2.2.1 Tipo de elemento...................................................................................93
5.2.2.2 Propiedades del elemento.....................................................................93
5.2.2.3 Material de los elementos.....................................................................93
5.2.2.4 Restricciones de grados de libertad en los apoyos...............................94
5.2.2.5 Liberación de esfuerzos (Beam End Release)......................................94
5.2.3 Asignación de cargas............................................................................95
5.2.4 Realización del análsis..........................................................................96
5.2.5 Visualización de resultados...................................................................96
CAPITULO 6. COMPARACIÓN ENTRE SAP V.10 Y ALGOR V.16...................98
6.1 Utilización de ambos programas...........................................................98
6.2 Comparación entre programas.............................................................98
6.2.1 Ingreso de datos...................................................................................98
6.2.1.1 Obtención de la Geometría del Modelo.................................................98
6.2.1.2 Definición y Asignación de estados de carga........................................99
6.2.1.3 Selección de materiales y perfiles.........................................................99
6.2.2 Realización del análisis.......................................................................100
6.2.3 Obtención de resultados.....................................................................100
6.2.3.1 Modificación de Datos de Entrada.......................................................101
6.3 Comparación de resultados entre ambos programas.........................101
CAPÍTULO 7. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA.................................................107
7.1 Selección columnas............................................................................107
7.2 Selección del perfil para viga carrilera................................................111
7.2.1 Análisis del modelo en el programa sap 2000 v10.............................111
7.2.2 Resultados del análisis.......................................................................113
7.3 Selección del perfil para la ménsula de carga.....................................113
7.3.1 Esquemas de estados de cargas........................................................113
7.3.2 Cálculo de ménsula ............................................................................116
7.3.2.1 Reacciones en el apoyo......................................................................116
7.3.2.2 Cortante..............................................................................................116
7.3.2.3 Flector.................................................................................................116
7.3.2.4 Análisis de Datos Calculados..............................................................116
7.4 Diseño de placas base........................................................................118
7.5 Recomendación para el diseño de la cimentación..............................121
7.5.1 Datos del terreno................................................................................121
7.5.2 Datos de los materiales.......................................................................122
7.5.3 Coeficientes de ponderacion a utilizar................................................122
7.5.4 Aplastamiento en concreto..................................................................122
7.5.4.1 Cálculo de f ........................................................................................123
B
7.5.5 Dimensionamiento de la zapata..........................................................124
7.5.5.1 Comprobacion de la estabilidad estructural ........................................124
7.5.5.1.1 Cargas en la base del pilar:.................................................................124
7.5.5.1.2 Cargas en la base de la zapata...........................................................125
7.5.5.1.3 Seguridad a Vuelco.............................................................................125
7.5.5.1.4 Seguridad a deslizamiento..................................................................125
7.5.5.1.5 Seguridad a hundimiento....................................................................125
7.5.5.2 Calculo de la zapata como elemento estructural.................................126
7.5.5.2.1 Vuelo físico..........................................................................................126
7.5.5.2.2 Flexión.................................................................................................126
7.5.5.2.3 Obtención de la tensión del cálculo.....................................................127
7.5.5.2.4 Método de Bielas y tirantes.................................................................127
7.5.5.2.5 Comprobación de cuantía...................................................................128
7.5.5.2.6 Disposiciones constructivas................................................................129
7.5.5.2.7 Comprobación de esfuerzo cortante...................................................129
7.5.5.2.8 Diseño de pernos de anclaje...............................................................130
7.6 Selección de correas ..........................................................................131
7.7 Diseño de conexiones.........................................................................134
7.7.1 Conexión ménsula-columna................................................................134
7.7.1.1 Determinación de la resistencia de la soldadura.................................137
7.7.1.2 Determinación de la resistencia del metal base (el menor
espesor gobierna)...............................................................................137
7.7.2 Conexiones en los arriostramientos....................................................138
7.7.2.1 Revisión de resistencia de aplastamiento en la placa con
espesor t=1/4 in...................................................................................139
7.7.2.2 Resistencia por aplastamiento total en la placa con
espesor t = ¼ in...................................................................................140
7.7.2.3 Resistencia por cortante:.....................................................................140
7.7.3 Conexión elementos en los arriostramientos......................................141
7.7.3.1 Resistencia por cortante......................................................................143
7.7.3.2 Revisión del aplastamiento en el miembro en tensión (placa)............144
7.7.3.3 Resistencia por aplastamiento para el alma del perfil.........................144
7.7.3.4 Tensión sobre el Área Total................................................................145
7.7.4 Conexión de la viga de la cubierta con la columna de la
estructura...........................................................................................146
7.7.4.1 Soldadura de la viga a la placa de apoyo............................................147
7.7.4.2 Resistencia del metal de soldadura.....................................................147
7.7.4.3 Resistencia del metal base.................................................................147
7.7.4.4 Conexión viga-columna.......................................................................147
7.7.4.4.1 Esfuerzo de tensión en los pernos......................................................148
7.7.4.4.2 Resistencia por cortante......................................................................149
7.7.4.4.3 Revisión del aplastamiento en la placa de espesor igual a 1/4in........149
7.7.4.4.4 Resistencia de aplastamiento para la placa de espesor t=1/2in..........150
7.7.4.4.5 Tensión sobre el Área Total................................................................151
7.7.4.4.6 Resistencia de diseño.........................................................................151
7.7.5 Diseño de rigidizadores de columna...................................................152
7.7.5.1 Revisión de flexión local del patín (Ec. K1.1 del AISC).......................154
7.7.5.2 Revisión de la fluencia local del alma (Ec. Derivada de
Ec. K1.2 de AISC)...............................................................................154
7.7.5.3 Resistencia por aplastamiento del alma (pandeo por
compresión del alma)..........................................................................155
7.7.5.4 Dimensiones del rigidizador................................................................155
7.7.5.5 Soldaduras alrededor del alma de la columna....................................157
7.7.5.5.1 Resistencia por cortante del metal base.............................................158
7.7.5.6 Soldadura del rigidizador al patín de la columna.................................158
7.7.6 Conexión de la viga lateral a la columna ............................................159
7.7.6.1 Soldadura de la placa a la columna....................................................159
7.7.6.1.1 Resistencia del metal de soldadura.....................................................159
7.7.6.1.2 Resistencia del metal base.................................................................159
7.7.6.2 Soldadura del perfil HEB 160 a la placa de acero
espesor t = ½ in...................................................................................160
7.7.6.3 Estudio de los pernos..........................................................................162
7.7.6.3.1 Resistencia por cortante......................................................................163
7.7.6.3.2 Revisión del aplastamiento en las placas con espesor t=1/2in...........164