memoria de calculo de cruce aereo

PROYECTO HIDROELECTRICO RIO QUILIO II ESTRUCTURA DE CRUCE AEREO

Por Vo.Bo. Contenido Vers. Fecha

coyuela falmendares Memoria de Cálculo de Estructura Metálica de Cruce Aéreo A Mayo-2011

Página 1 de 20 Estructura Metálica Cruce Aéreo (46.73 metros)

EMPRESA NACIONAL DE ENERGIA ELECTRICA Ciudad de Tegucigalpa, Honduras. C.A.

PROYECTO GAUREE 2 Soluciones Concretas

Proyecto Hidroeléctrico Rio Quilio II

Cruce Aéreo -Tubería de Conducción

Memoria de Cálculo

Estructura de Cruce Aéreo

Versión Rev. A

ELECNOR S.A. Ciudad de Tegucigalpa, Honduras. C.A. Mayo / 2011





I. RESUMEN DEL DOCUMENTO

I.1 ALCANCES - Memoria de cálculo de la estructura metálica de cruce aéreo para tubería de conducción con

aproximadamente 46.73 metros de longitud, compuesta por tubo de acero galvanizado SCH-20 de 2” de diámetro.

I.2 OBJETIVOS - Documentar la metodología y las bases de diseño. - Definir el origen y los valores de las cargas utilizadas en el diseño. - Presentar los cálculos de las revisiones estructurales de equilibrio. - Complementar y dar respaldo a todo el dimensionamiento e información técnica presentada en los planos de

diseño.

I.3 LISTA DE DISTRIBUCION

Organización Nombre / Posición

Empresa Nacional de Energía Eléctrica Ing. Francisco Larios / Ingeniero Proyectista Ing. Leonardo Canales / Supervisor de Proyectos

Elecnor S.A. Ing. Guillermo Rios / Director de Proyectos Ing. Emiliano Paz / Director de Proyectos

Honduras, C.A. Franklin Almendares / IngenieroProyectista Carlos Oyuela / Diseñador - Calculista





II. INDICE

I. RESUMEN DEL DOCUMENTO ........................................................................................................................... 2

I.1 ALCANCES ................................................................................................................................................ 2

I.2 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 2

I.3 LISTA DE DISTRIBUCION ............................................................................................................................ 2

II. INDICE ............................................................................................................................................................ 3

III. UBICACION .................................................................................................................................................... 4

IV. METODOLOGIA Y CONCEPTO DE SEGURIDAD PARA EL DISEÑO ................................................................. 4

V. BASES PARA EL DISEÑO ................................................................................................................................ 7

V.1 DOCUMENTOS DE REFERENCIA .............................................................................................................. 7

V.2 PARAMETROS DE DISEÑO........................................................................................................................ 7

VI. ESPECIFICACIONES DE MATERIALES ........................................................................................................... 8

VII. CASOS Y COMBINACIONES DE CARGA DE DISEÑO ..................................................................................... 8

VIII. ANALISIS INTERNO DE CARGAS, DEFORMACIONES Y REVISION DE PERFILES ......................................... 9

IX. CALCULO DE CAPACIDADES PERMISIBLES ................................................................................................. 13

IX.1 JOIST METALICO ................................................................................................................................... 13

IX.1.2 Esfuerzo Permisible Para Cargas de Compresión Axial, Fa, PARA ELEMENTO CRITICO DE CELOSIA EN JOIST. ............................................................................................................................................................ 13

IX.1.2 Esfuerzo Permisible Para Cargas de Flexión Eje Fuerte x-x, Fbx ................................................................ 14

IX.1.3 Esfuerzo Permisible Para Cargas de Compresión Axial, Fa, PARA ELEMENTO CRITICO DE CORDON SUPERIOR EN JOIST. .................................................................................................................................... 14


IX.1.3 Esfuerzo Permisible Para Cargas de Compresión Axial, Fa, PARA ELEMENTO CRITICO DE CORDON INFERIOR EN JOIST. ...................................................................................................................................... 15


X. CALCULO DE RAZONES DE UTILIZACION Y MARGENES DE DISEÑO ............................................................ 19

ANEXOS ............................................................................................................................................................ 20





III. UBICACION

IV. METODOLOGIA Y CONCEPTO DE SEGURIDAD PARA EL DISEÑO

El dimensionamiento general del acero estructural se realiza conforme a la metodología de diseño por esfuerzos permisible (siglas en inglés ASD) según la norma AISC ASD 89. Para las revisiones de equilibrio interno son relevantes los siguientes factores y combinaciones de carga:

1. U= 1L+1D 2. U= 1D+1L+SX 3. U= 1D+1L+SZ 4. U= 1L+1D+1WX





5. U= 1L+1D+1WZ 6. U= L+D+WX+SX 7. U= L+D+WZ+SZ 8. U= L+D+T

Donde: U= Carga Ultima L= Carga Viva D= Carga Muerta WX= Carga por Viento en X WZ= Carga por Viento en Z SX= Carga por Sismo en X SZ= Carga por Sismo en Z T= Efecto de Temperatura Como se puede observar en la metodología ASD todos los factores amplificadores de carga se consideran igual a los factores indicados, basándose el concepto de seguridad en su totalidad en el lado de la resistencia, através del control de esfuerzos permisibles que son el resultado de dividir las resistencias nominales entre un factor de seguridad definido porla norma. Esfuerzos permisibles para elementos en compresión. El esfuerzo permisible para el diseño de elementos a compresión (Cordón superior de la estructura de cruce) es Fa, permitiéndose un incremento de 33% para el caso de cargas de corta duración como viento y sismo: 1.33xFa. El valor de Fa depende de la clasificación de un elemento corto o largo, dependiendo de la comparación de su esbeltez con el valor crítico Cc. Las expresiones para el cálculo de Fa son las siguientes:

Elemento Corto, KL/r ≤ Cc Elemento Largo KL/r>Cc Ver AISC ASD 89 Sección E2. Esfuerzos Permisibles Para Elementos en Flexión El esfuerzo permisible para el diseño de elementos a flexión (Cordón inferior de la estructura) es Fb, permitiéndose un incremento de 33% para el caso de cargas de corta duración como viento y sismo: 1.33xFb. El valor de Fb depende del tipo de sección transversal, de la clasificación de sus elementos en compactos, no compactos o esbeltos y de la longitud no arriostrada Lb del patín en compresión de la sección transversal.





Lb≤Lc Lb>Lc El valor de Lc es el menor entre: Ver AISC ASD 89 sección F2. Esfuerzos Permisibles Para Elementos en Flexo-Compresión La revisión ASD para elementos en flexo-compresión consiste en la evaluación de las siguientes ecuaciones de interacción que utiliza los esfuerzos permisibles individuales para compresión y flexión descritos anteriormente. Cuando la carga de compresión (fa) no sobrepasa el 15% del esfuerzo permisible Fa, es decir fa/Fa≤ 0.15, la ecuación de interacción se simplifica de la siguiente manera como es el caso de la estructura de cruce aéreo en sus elementos “joist” tridimensionales Ver AISC ASD 89 sección H1.





V. BASES PARA EL DISEÑO

V.1 DOCUMENTOS DE REFERENCIA - Specification for Structural Steel Buildings Allowable Stress design and Plastic Design, 1989 American Institute of Steel Construction, Inc -Manual of Steel Construction, Load and Resistance Factor Design, Vol. I, II AISC -Ref. Estudio de Factibilidad de Proyecto Hidroeléctrico Rio Quilio II. -Memoria Técnica -Análisis Estructural ANEXOS -Proyecto Hidroeléctrico Quilio 2 Modulo M2, 2007.

V.2 PARAMETROS DE DISEÑO

Viento - Categoría de Terreno Categoría C

(Áreas abierta con pocos obstáculos) - Elevación Sobre el Nivel del Mar 1305.893 msnm - Temperatura Promedio 20 ˚C - Temperatura Máx. / Mín. 28 / 10 ˚C - Viento de Diseño (P.R. 50 años): 100 km/hrs – Km. más rápido

(27.78 m/ s – prom. 10 min.) - Presión Dinámica de diseño qo= 48.4 kg/m2

- Coeficiente Ce según exposición de viento Ce= 1.07 - Coeficiente de Presión Cq (Estruc. Menores) Cq= 1.4 - Intensidad del Viento I= 80Kg/m2 Sismo - Clasificación de Estructura Clase III: Esencial

Estructura Esencial. Debe mantenerse en operación en caso de catástrofe o emergencia nacional

- Factor de Importancia W Iw=1.15 - Factor de Zona Sísmica Z z= 0.25 - Clasificación del Sitio por Tipo de Suelo “S” Suelo medio denso a denso, medio rocoso a rocoso Tipo S2= 1.2 - Coeficiente Rw para sistemas estructurales (Estantes de almacenamiento) Rw= 5 - Factor de Sismo (sentido horizontal) 0.2g, donde g= 9.81 m/s2 - Factor de Sismo (sentido vertical) 0.15g, donde g= 9.81 m/s2





Viva - Carga de agua L= 277.83 Kg/m (Donde peso de agua = 900kg/m3) Muerta - Carga de tubo de hierro galvanizado cedula SCH-20 de Ø2” (metro lineal) D =78.55 Kg/m

VI. ESPECIFICACIONES DE MATERIALES

ACERO (HIERRO GALVANIZADO HG) Placas y Perfiles Tubulares ASTM Specification A53 Acero Bajo Carbono ASTM A36 Fy: 46 ksi Fu: 55 ksi Es: 29000 ksi Pernos Estructurales ASTM A307 Fu: 72 ksi Tubo Estructural para cordones principales de estructura Joist de 2” de diámetro, con espesor 2.95mm. Diámetro Externo 60.3mm Diámetro Interno 54.4mm Área Transversal 5.32 cm2 Peso por metro lineal de tubo de hierro galvanizado cedula SCH-20 (2”) 4.11 kg/m Placa de Acero A307 para apoyo entre pilastras Espesor= 3/4”, pernos A307, e=3/8” Placa de Acero A307 para unión entre los Joist Espesor= 1/2”, pernos A307, e=3/8”

VII. CASOS Y COMBINACIONES DE CARGA DE DISEÑO

Se han considerado los siguientes casos de carga: Las combinaciones, de carga consideradas para el diseño son: U= 1L+1D U= 1D+1L+SX U= 1D+1L+SZ U= 1L+1D+1WX U= 1L+1D+1WZ U= L+D+WX+SX U= L+D+WZ+SZ U= L+D+T





Donde: U= Carga Ultima L= Carga Viva D= Carga Muerta WX= Carga por Viento en X WZ= Carga por Viento en Z SX= Carga por Sismo en X SZ= Carga por Sismo en Z T= Efecto de Temperatura Combinación de cargas criticas dominantes

7 L + D + WZ + SZ

6 L + D + WX + SX Combinación Dominante

8 L + D + T

VIII. ANALISIS INTERNO DE CARGAS, DEFORMACIONES Y REVISION DE PERFILES

Basado en las combinaciones de carga de la sección VII.- de este trabajo, se presentan a continuación las reacciones críticas para el diseño de la estructura. Distribución de nodos

Todos los elementos de la estructura es de tipo tubular de acero galvanizado SCH-20, de 2” de diámetro con 2.95mm de espesor, con resistencia de 46 ksi. Esta imagen muestra dos tramos típicos de la estructura, ver planos referencia CHQ-0009-OC, ver plano #3.





Diagrama de Esfuerzo de la estructura

Azul = Tensión Rojo = Compresión Esfuerzo máximo en el elemento 209 de 168.56 kg/cm2 para compresión y 162.14kg/cm2 para tensión.

Momento Crítico de la Estructura





Momento máximos en el elemento 3229 de 1.075 kNm = 10961.95 kg-cm

Diagrama de Carga Axial parra Elemento crítico





Carga Axial máxima en el elemento 232 de 303.12 kg

Deformada de la Estructura

Deformación máxima de: 4.37 mm





IX. CALCULO DE CAPACIDADES PERMISIBLES

IX.1 JOIST METALICO Propiedades de Materiales: Esfuerzo de Fluencia: 46 ksi Modulo de Elasticidad: 29,000 ksi Propiedades de Sección Transversal de tubo de hierro galvanizado SCH-20 de φ2” Area: A= 5.32 cm2 Momento de Inercia. I= 22.34 cm4 Radio de Giro: r= 4.20 = I/A Espesor: e= 2.95mm Propiedades de Sección Transversal de tubo de acero para tubería en conducción φ= 65cm Area: A= 64.52 cm2 Momento de Inercia. I= 33480.47cm4 Radio de Giro: r= 518.92 = I/A Espesor: e= 1/8”

IX.1.2 Esfuerzo Permisible Para Cargas de Compresión Axial, Fa, PARA ELEMENTO CRITICO DE CELOSIA EN JOIST. Esbeltez Efectiva KL/r = 8.74 < 126

Esbeltez Crítica

Esbeltez Gobernante > 8.74





Esbeltez Permisible

IX.1.2 Esfuerzo Permisible Para Cargas de Flexión Eje Fuerte x-x, Fbx

Esbeltez Efectiva KL/r = 8.74 < 126

Esbeltez Crítica


Esbeltez Permisible

IX.1.3 Esfuerzo Permisible Para Cargas de Compresión Axial, Fa, PARA ELEMENTO CRITICO DE CORDON SUPERIOR EN JOIST. Esbeltez Efectiva KL/r = 7.14 < 126

Esbeltez Crítica


Esbeltez Permisible







Esbeltez Crítica


Esbeltez Permisible

IX.1.3 Esfuerzo Permisible Para Cargas de Compresión Axial, Fa, PARA ELEMENTO CRITICO DE CORDON INFERIOR EN JOIST. Esbeltez Efectiva KL/r = 7.14 < 126

Esbeltez Crítica


Esbeltez Permisible



Esbeltez Crítica






Esbeltez Permisible





Revisión Estructural de Perfiles

Descripción Elemento Longitud

(m) Área (cm²)

Inercia (cm⁴) r k kL/r Cc

kL/r < Cc

Tubo 2" cordón superior 232 0.3 5.32 22.34 4.20 1.00 7.14 126.00 OK

Tubo 2" cordón inferior 97 0.3 5.32 22.34 4.20 1.00 7.14 126.00 OK

Tubo 65cm 267 0.6 64.52 33480.47 518.92 1.00 0.12 126.00 OK

Tubo 65cm 3231 0.6 64.52 33480.47 518.92 1.00 0.12 126.00 OK

Tubo 2" celosía 15 0.367 5.32 22.34 4.20 1.00 8.74 126.00 OK

Tubo 2" celosía 6 0.367 5.32 22.34 4.20 1.00 8.74 126.00 OK



Tubo 2" celosía 13 0.367 5.32 22.34 4.20 1.00 8.74 126.00 OK

Tubo 2" celosía 8 0.367 5.32 22.34 4.20 1.00 8.74 126.00 OK

Tubo 65cm 541 0.6 64.52 33480.47 518.92 1.00 0.12 126.00 OK

Tubo 65cm 3229 0.6 64.52 33480.47 518.92 1.00 0.12 126.00 OK

Envolvente

Envolvente

Descripción Barra Fb (Kg/cm²) fb (Kg/cm²) fb/Fb

Tubo 2" cordón superior 232 1500 135.149 0.09010 1 OK

Tubo 2" cordón inferior 97 1500 108.887 0.07259 1 OK

Tubo 65cm 267 1500 13.583 0.00906 1 OK

Tubo 65cm 3231 1500 16.603 0.01107 1 OK

Tubo 2" celosía 15 1500 390.983 0.26066 1 OK

Tubo 2" celosía 6 1500 387.660 0.25844 1 OK



Tubo 2" celosía 13 1500 387.962 0.25864 1 OK

Tubo 2" celosía 8 1500 384.824 0.25655 1 OK

Tubo 65cm 541 1500 14.418 0.00961 1 OK

Tubo 65cm 3229 1500 32.309 0.02154 1 OK





Revisión a Flexo-Compresión

Descripción Longitud

m Barra Fa

(Kg/cm²) Fb (Kg/cm²) fa

comp.(Kg/cm²) fb

flex.(Kg/cm²) fmom(z). (Kg/cm²)

fmom(y). (Kg/cm²)

fmom(x). (Kg/cm²)

fa/Fa+ fb/Fb+ fz/Fb+ fy/Fb+ fx/Fb

Tubo 2" cordón superior 0.3 232 1478.75 1500.00 67.03 0.00 9.65 1.38 0.00 0.053 1 OK

Tubo 2" cordón inferior 0.3 97 1478.75 1500.00 0.00 53.98 8.27 4.14 0.04 0.044 1 OK

Tubo 65cm 0.6 267 1499.69 1500.00 4.79 5.20 0.36 0.00 0.00 0.007 1 OK

Tubo 65cm 0.6 3231 1499.69 1500.00 7.04 6.53 1.50 0.05 0.00 0.010 1 OK

Tubo 2" celosía 0.367 15 1473.44 1500.00 97.08 122.50 86.85 63.41 0.40 0.248 1 OK

Tubo 2" celosía 0.367 6 1473.44 1500.00 102.99 117.27 85.47 66.17 0.40 0.249 1 OK



Tubo 2" celosía 0.367 13 1473.44 1500.00 122.88 93.30 78.57 70.30 0.35 0.245 1 OK

Tubo 2" celosía 0.367 8 1473.44 1500.00 117.88 99.16 81.33 68.92 0.35 0.247 1 OK

Tubo 65cm 0.6 541 1499.69 1500.00 4.20 4.55 4.40 0.00 0.00 0.009 1 OK

Tubo 65cm 0.6 3229 1499.69 1500.00 10.89 10.25 10.64 0.16 0.00 0.021 1 OK





X. CALCULO DE RAZONES DE UTILIZACION Y MARGENES DE DISEÑO

Propiedades de la Sección

Cargas Actuantes

Capacidades Permisibles Razón de

Utilización f/F

Margen de

Diseño % Elemento Solicitación

Área (cm2)

Inercia (cm4)

Radio de Giro (cm)

Fuerzas (Kg)

Esfuerzos (Kg/cm2) Fuerzas (Kg)

Esfuerzos (Kg/cm2)

Cordón Superior

Axial 5.32 22.34 4.20

303.12 67.03 277.96 1478.75 0.045 95.50

Flexión 0.60 11.03 281.95 1500.00 0.007 99.30

Revisión de Interacción

0.053 94.70

Cordón Inferior

Axial 5.32 22.34 4.20

17.17 168.56 277.96 1478.75 0.114 88.60

Flexión 55.99 248.35 281.95 1500.00 0.166 83.40


0.280 72.00

Elemento de Celosia

Axial 5.32 22.34 4.20

37.81 102.99 276.96 1473.44 0.070 93.00

Flexión 23.59 269.31 281.95 1500.00 0.180 82.00


0.249 75.10





ANEXOS

memoria de calculo de cruce aereo

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